相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性

目標(biāo)素養(yǎng)1.通過電磁波的傳播與牛頓力學(xué)理論的矛盾,初步形成對(duì)愛因斯坦相對(duì)論的正確認(rèn)識(shí),形成正確的物理觀念2.通過實(shí)例分析,理解相對(duì)論的時(shí)空觀3.掌握時(shí)間延緩效應(yīng)和長度收縮效應(yīng),并能進(jìn)行簡單運(yùn)算4.知道牛頓力學(xué)的局限性和適用范圍5.了解科學(xué)理論的相對(duì)性,體會(huì)科學(xué)理論是不斷發(fā)展和完善的知識(shí)概覽課前?基礎(chǔ)認(rèn)知課堂?重難突破隨堂訓(xùn)練課前?基礎(chǔ)認(rèn)知一、相對(duì)論時(shí)空觀1.絕對(duì)時(shí)空觀:時(shí)間與空間都是獨(dú)立于物體及其

運(yùn)動(dòng)

而存在的,也叫牛頓力學(xué)時(shí)空觀。

2.愛因斯坦的假設(shè):(1)在不同的慣性參考系中,物理規(guī)律的形式都是

相同

的;(2)真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是

相同

的。

5.相對(duì)論時(shí)空觀:運(yùn)動(dòng)物體的長度(空間距離)和物理過程的快慢(時(shí)間進(jìn)程)都跟物體的

運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

有關(guān)。

微思考若一列火車的速度是10m/s,一個(gè)人在車上相對(duì)于車以10m/s的速度向前跑,那么他相對(duì)于地面的速度為20m/s。若火車的速度為0.9c(c為光速),火車上的人向前發(fā)出一束激光(相對(duì)于車的速度為c)。激光相對(duì)于地面的速度是否為1.9c?提示:根據(jù)光速不變?cè)砉馑偃詾閏,對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的物體,例如本題中以0.9c的速度行駛的列車,牛頓力學(xué)中的結(jié)論不能簡單套用。二、牛頓力學(xué)的成就與局限性1.低速與高速的概念。(1)低速:遠(yuǎn)小于光速的速度為低速,通常所見物體的運(yùn)動(dòng),如行駛的汽車、發(fā)射的導(dǎo)彈、人造地球衛(wèi)星及宇宙飛船等物體的運(yùn)動(dòng)皆為低速運(yùn)動(dòng)。(2)高速:有些微觀粒子在一定條件下其速度可以與光速相接近,這樣的速度稱為高速。2.微觀世界。電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律在很多情況下不能用牛頓力學(xué)來說明,而

量子力學(xué)

能夠正確地描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。3.牛頓力學(xué)的適用范圍。牛頓力學(xué)適用于

低速

運(yùn)動(dòng),不適用于

高速

運(yùn)動(dòng);適用于

宏觀

世界,不適用于

微觀

世界。

當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速c(3×108m/s)時(shí),相對(duì)論物理學(xué)與牛頓力學(xué)的結(jié)論

沒有區(qū)別

。當(dāng)另一個(gè)重要常數(shù)即“普朗克常量”(6.63×10-34J·s)可以忽略不計(jì)時(shí),量子力學(xué)和牛頓力學(xué)的結(jié)論

沒有區(qū)別

。

微判斷1.牛頓力學(xué)一般不適用于微觀粒子。(

)2.量子力學(xué)不能描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。(

)3.量子力學(xué)和相對(duì)論都沒有否定過去的科學(xué)。(

)√×√課堂?重難突破重難歸納1.時(shí)間延緩。2.長度收縮。

一相對(duì)論時(shí)空觀地面上A、B兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生。如圖所示,一人坐在火箭內(nèi)沿兩個(gè)事件發(fā)生地點(diǎn)A、B連線飛行,A、B事件發(fā)生時(shí)火箭位于A、B連線中點(diǎn),則對(duì)于此人來說哪個(gè)事件先發(fā)生?提示:B事件先發(fā)生。以地面為參考系,A、B兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生,即如果在A、B連線中點(diǎn)C放一時(shí)鐘,將同時(shí)接收到來自A、B的信號(hào)。設(shè)想該時(shí)鐘以與火箭相同的速度飛行,則先接收到來自B的信號(hào),后接收到來自A的信號(hào),即以火箭(或火箭內(nèi)的人)為參考系,B事件先發(fā)生。典例剖析1.π+介子是一種不穩(wěn)定粒子,平均壽命是2.6×10-8s(在自己的參考系中測(cè)得)。(1)如果此粒子相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室以0.8c的速度運(yùn)動(dòng),那么在實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系中測(cè)量的π+介子壽命多長?(2)π+介子在衰變前運(yùn)動(dòng)了多長距離?答案:(1)4.3×10-8s

(2)10.32m解析:(1)π+介子在實(shí)驗(yàn)室中的壽命為

(2)該粒子在衰變前運(yùn)動(dòng)的距離為x=vΔt=0.8×3×108×4.3×10-8

m=10.32

m。誤區(qū)警示一個(gè)相對(duì)我們做高速運(yùn)動(dòng)的慣性系中發(fā)生的物理過程,我們觀察到此過程所經(jīng)歷的時(shí)間長,表現(xiàn)為時(shí)間上的延緩或時(shí)鐘變慢,用式子表示為Δt=

,顯然v越大,Δt與Δτ差別越大,但一定有Δt>Δτ,即在某一個(gè)參考系中觀察另一個(gè)不同參考系里發(fā)生的物理事件時(shí),總感到時(shí)間延緩。2.地面上長100km的鐵路上空有一火箭沿鐵路方向以30km/s的速度掠過,則火箭上的人看到鐵路的長度應(yīng)該為多少?如果火箭的速度達(dá)到0.6c,則火箭上的人看到的鐵路的長度又是多少?答案:100km

80km解析:當(dāng)火箭速度較小時(shí),長度基本不變,還是100

km。當(dāng)火箭的速度達(dá)到0.6c時(shí),由相對(duì)長度公式2.在低速時(shí),長度基本不變,在高速即與光速可比擬時(shí),長度的變化就不能忽略了。學(xué)以致用1.如圖所示,A、B、C是三個(gè)完全相同的時(shí)鐘,A放在地面上,B、C分別放在兩個(gè)火箭上,以不同的速度向同一個(gè)方向飛行,B的速度小于C的速度,地面上的觀察者認(rèn)為哪個(gè)時(shí)鐘走得最慢?哪個(gè)時(shí)鐘走得最快?答案:C

A解析:地面上的人認(rèn)為C鐘走得最慢,是因?yàn)樗鄬?duì)于觀察者的速度最大。根據(jù)時(shí)間延緩效應(yīng)的公式Δt=

可知,相對(duì)于觀測(cè)者的速度越大,其上的時(shí)間進(jìn)程越慢。地面上A鐘相對(duì)于觀察者的速度v=0,即地面上的觀察者認(rèn)為A鐘走得最快。2.如果兩條平行的等長的桿在沿自己的長度方向做相對(duì)運(yùn)動(dòng),與它們一起運(yùn)動(dòng)的兩位觀察者會(huì)對(duì)兩桿的長短作出什么判斷?答案:這兩位觀察者都會(huì)認(rèn)為對(duì)方的桿縮短了。解析:每一位觀察者如果測(cè)出與自己相對(duì)靜止的桿長為l0,則可由長度的相對(duì)性知他測(cè)出另一根桿的長度l=l0

。重難歸納1.區(qū)別。二狹義相對(duì)論與量子理論的比較2.聯(lián)系。(1)當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速時(shí),相對(duì)論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別。(2)當(dāng)另一個(gè)重要常數(shù)即“普朗克常量”可以忽略不計(jì)時(shí),量子力學(xué)和牛頓力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別。如圖甲所示,質(zhì)子束被加速到接近光速;如圖乙所示,中子星是質(zhì)量、密度非常大的星體。請(qǐng)思考:牛頓力學(xué)是否適用于質(zhì)子束的運(yùn)動(dòng)規(guī)律?如何研究質(zhì)子束的運(yùn)動(dòng)規(guī)律?提示:不適用?？梢杂昧孔恿W(xué)研究質(zhì)子束的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。典例剖析(多選)以下說法正確的是(

)A.牛頓力學(xué)理論普遍適用,大到天體,小到微觀粒子均適用B.牛頓力學(xué)理論具有一定的局限性C.在牛頓力學(xué)中,物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變而改變D.相對(duì)論和量子力學(xué)否定了牛頓力學(xué)理論答案:BC解析:牛頓力學(xué)理論具有一定的局限性,它只適用于低速、宏觀物體的運(yùn)動(dòng),選項(xiàng)A錯(cuò)誤,B正確;在牛頓力學(xué)中,物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變而改變,即物體的質(zhì)量和物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān),選項(xiàng)C正確;相對(duì)論和量子力學(xué)并沒有否定過去的科學(xué),而是認(rèn)為牛頓力學(xué)理論是在一定條件下的特殊情形,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。規(guī)律總結(jié)科學(xué)的成就總是在某些條件下的局部形成,在新的科學(xué)成就形成后,它將被包括在其中。愛因斯坦的相對(duì)論并沒有否定牛頓力學(xué)的理論,而是把它看成是在一定條件下的特殊情形。學(xué)以致用(多選)關(guān)于牛頓力學(xué)、狹義相對(duì)論和量子力學(xué),下列說法正確的是(

)A.狹義相對(duì)論和牛頓力學(xué)是相互對(duì)立的兩種理論B.在物體高速運(yùn)動(dòng)時(shí),物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律服從狹義相對(duì)論理論;在低速運(yùn)動(dòng)時(shí),物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律服從牛頓運(yùn)動(dòng)定律C.牛頓力學(xué)適用于宏觀物體的運(yùn)動(dòng),量子力學(xué)適用于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)D.不論是宏觀物體,還是微觀粒子,牛頓力學(xué)和量子力學(xué)都是適用的BC解析:相對(duì)論并沒有否定牛頓力學(xué),而是認(rèn)為牛頓力學(xué)是相對(duì)論理論在一定條件下的特殊情形,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;牛頓力學(xué)適用于宏觀物體的低速運(yùn)動(dòng),對(duì)于微觀粒子的高速運(yùn)動(dòng)問題,牛頓力學(xué)不再適用,但相對(duì)論、量子力學(xué)適用,選項(xiàng)B、C正確,D錯(cuò)誤。隨堂訓(xùn)練1.用相對(duì)論的觀點(diǎn)判斷,下列說法不正確的是(

)A.時(shí)間和空間都是絕對(duì)的,在任何參考系中一個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間和一個(gè)物體的長度總不會(huì)改變B.在地面上的人看來,以10km/s的速度運(yùn)動(dòng)的飛船中的時(shí)鐘會(huì)變慢,但是飛船中的航天員卻看到時(shí)鐘是準(zhǔn)確的C.在地面上的人看來,以10km/s的速度運(yùn)動(dòng)的飛船在運(yùn)動(dòng)方向上會(huì)變窄,而飛船中的航天員卻感覺到地面上的人看起來比飛船中的人扁一些D.當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)的速度v?c時(shí),“時(shí)間延緩”和“長度收縮”效應(yīng)可忽略不計(jì)A2.下列說法正確的是(

)A.牛頓力學(xué)適用于任何情況下的任何物體B.狹義相對(duì)論否定了牛頓力學(xué)C.量子力學(xué)能夠描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律D.萬有引力定律也適用于強(qiáng)相互作用力答案:C解析:牛頓力學(xué)只適用于宏觀、低速、弱引力的情況,選項(xiàng)A錯(cuò)誤。狹義相對(duì)論沒有否定牛頓力學(xué),在宏觀低速情況下,相對(duì)論的結(jié)論與牛頓力學(xué)沒有區(qū)別,選項(xiàng)B錯(cuò)誤。量子力學(xué)正確地描述了微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,選項(xiàng)C正確。萬有引力定律適用于弱相互作用力,而對(duì)于強(qiáng)相互作用力是不適用的,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。3.假設(shè)甲在接近光速的火車上看地面上乙手中沿火車前進(jìn)方向放置的尺,同時(shí)地面上的乙看甲手中沿火車前進(jìn)方向放置的相同的尺,則下列說法正確的是(

)A.甲看到乙手中的尺長度比乙看到自己手中的尺長度大B.甲看到乙手中的尺長度比乙看到自己手中的尺長度小C.乙看到甲手中的尺長度比甲看到自己手中的尺長度大D.乙看到甲手中的尺長度與甲看到自己手中的尺長度相同答案:B解析:由l=l0

可知,運(yùn)動(dòng)的觀察者觀察靜止的尺子和靜止的觀察者觀察運(yùn)動(dòng)的尺子時(shí),都出現(xiàn)尺縮效應(yīng),即都發(fā)現(xiàn)對(duì)方手中的尺子比自己手中的短,選項(xiàng)B正確,A、C、D錯(cuò)誤。4.如圖所示,在一個(gè)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的巨大轉(zhuǎn)盤上,放著A、B、C三個(gè)時(shí)鐘,下列說法正確的是(

)A.A時(shí)鐘走時(shí)最慢,B時(shí)鐘走時(shí)最快B.A時(shí)鐘走時(shí)最慢,C時(shí)鐘走時(shí)最快C.C時(shí)鐘走時(shí)最慢,A時(shí)鐘走時(shí)最快D.B時(shí)鐘走時(shí)最慢,A時(shí)鐘走時(shí)最快答案:C5.如圖所示,假設(shè)強(qiáng)強(qiáng)乘坐速度為0.9c(c為光速)的宇宙飛船追趕正前方的壯壯,壯壯的飛行速度為0.5c,強(qiáng)強(qiáng)向壯壯發(fā)出一束光進(jìn)行聯(lián)絡(luò),則壯壯觀測(cè)到該光束的傳播速度為(

)A.0.4c B.0.5c

C.0.9c D.1.0c答案:D6.如圖所示,車廂長為