第5節(jié) 相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性

第5節(jié)相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性核心素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)物理觀念(1)知道牛頓力學(xué)只適用于低速、宏觀物體的運動。(2)知道相對論、量子力學(xué)有助于人類認識高速、微觀領(lǐng)域。(3)知道愛因斯坦的兩個假設(shè)。(4)知道時間延緩效應(yīng)和長度收縮效應(yīng)?？茖W(xué)思維(1)了解愛因斯坦的兩個假設(shè)，知道牛頓力學(xué)的局限性。(2)能對時間延緩效應(yīng)和長度收縮效應(yīng)問題進行分析?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任通過課內(nèi)與課外閱讀，知道相對論、量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系，體會人類對自然界的探索是不斷深入的。運動相同相同運動狀態(tài)二、牛頓力學(xué)的成就與局限性1．牛頓力學(xué)的成就：牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)是_____________，_____________的建立與應(yīng)用更是確立了人們對牛頓力學(xué)的尊敬。從地面上物體的運動到天體的運動，都服從__________的規(guī)律。2．牛頓力學(xué)的局限性電子、質(zhì)子、中子等_________，它們不僅具有粒子性，同時還具有_______，它們的運動規(guī)律在很多情況下不能用牛頓力學(xué)來說明。3．牛頓力學(xué)的適用范圍只適用于低速運動，不適用于高速運動；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界。牛頓運動定律萬有引力定律牛頓力學(xué)微觀粒子波動性4．相對論物理學(xué)與牛頓力學(xué)的聯(lián)系(1)當物體的運動速度遠小于光速c時(c＝3×108m/s)，相對論物理學(xué)與牛頓力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別；(2)當另一個重要常數(shù)即普朗克常量h可以忽略不計時(h＝6.63×10－34J·s)，量子力學(xué)和牛頓力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別；(3)相對論與量子力學(xué)都沒有否定過去的科學(xué)，而只認為過去的科學(xué)是自己在一定條件下的特殊情形。1．地球繞太陽公轉(zhuǎn)的速度是3×104m/s。某實驗室的圓形粒子加速

器可以把電子加速到0.999999999987倍光速的速度，光速c＝

3×108

m/s。請思考：(1)地球的公轉(zhuǎn)速度在狹義相對論中屬于低速還是高速？被加速器加速后的電子的速度屬于低速還是高速？(2)在地面上校準的兩只鐘，一只留在地面上，一只隨宇宙飛船遨游太空(如圖所示)。隔一段時間飛船返回地面時，兩只鐘顯示的時間相同嗎？有什么差別？提示：(1)地球公轉(zhuǎn)速度屬于低速，被加速器加速后的電子的速度屬于高速。(2)不相同，隨飛船旅行的時鐘變慢(顯示的時間短)。2．牛頓力學(xué)適用于地面上物體的運動及天體的運動，但不適用于高速運動的物體，及微觀粒子的運動。具有一定的局限性。請對以下結(jié)論作出判斷：(1)火車提速后，有關(guān)速度問題不能用牛頓力學(xué)來處理。

()(2)宏觀物體在低速運動時，相對論與經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論是一致的。

()(3)在牛頓力學(xué)的適用范圍內(nèi)，運動的時鐘和靜止的時鐘快慢相同。

()(4)電子在原子核外的運動規(guī)律不能用牛頓力學(xué)來解釋。

()×√√√新知學(xué)習(xí)(一)|相對論時空觀[重點釋解]1．慣性系和非慣性系(1)牛頓運動定律能夠成立的參考系為慣性系，相對于這個慣性系做勻速直線運動的另一個參考系也是慣性系。(2)牛頓運動定律不成立的參考系稱為非慣性系。2．相對性原理(1)根據(jù)麥克斯韋的電磁理論，真空中的光速在任何慣性系中都是一個常量。(2)邁克耳孫—莫雷實驗證明：不論光源與觀察者做怎樣的相對運動，光速都是相同的。[典例體驗][例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得)。(1)如果此粒子相對于實驗室以0.8c的速度運動，那么在實驗室坐標系中測量的π＋介子壽命多長？(2)π＋介子在衰變前運動了多長距離？[答案]

(1)4.3×10－8s

(2)10.32m[例2]有一段長100km的直線鐵路，假設(shè)鐵路上空有一飛行器沿鐵路方向以30km/s的速度掠過。問：(1)飛行器上的人看到鐵路的長度應(yīng)該為多少？(2)假設(shè)飛行器的速度達到0.6c，則飛行器的人看到的鐵路的長度又是多少？[答案]

(1)100km

(2)80km/方法技巧/(1)時間間隔、長度的變化，都是由于物質(zhì)的相對運動引起的一種觀測效應(yīng)，它與所選取的參考系有關(guān)，物質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)并沒有變化。(2)兩個事件的時間間隔和物體的長度，必須與所選取的參考系相聯(lián)系，如果在沒有選取參考系的情況下討論時間的長短及空間的尺寸，是沒有任何意義的。

[針對訓(xùn)練]1．1905年愛因斯坦提出了狹義相對論，狹義相對論的出發(fā)點是以兩條基本假設(shè)為前提的，這兩條基本假設(shè)是

(

)A．同時的絕對性與同時的相對性B．運動的時鐘變慢與運動的尺子縮短C．時間間隔的絕對性與空間距離的絕對性D．相對性原理與光速不變原理解析：狹義相對論的兩個基本假設(shè)是相對性原理和光速不變原理，故D正確。答案：D

2．A、B、C是三個完全相同的時鐘，A放在地面上，B、C分別放在兩個火箭上，以速度vB和vC朝同一方向飛行，vB>vC。在地面上的人看來，關(guān)于時鐘快慢的說法正確的是

(

)A．B鐘最快，C鐘最慢 B．A鐘最快，C鐘最慢C．C鐘最快，B鐘最慢 D．A鐘最快，B鐘最慢解析：根據(jù)狹義相對論的時間延緩效應(yīng)可知，速度越大，鐘走得越慢，選項D正確。答案：D3．(多選)A、B兩架飛機沿地面上一足球場的長軸方向在其上空高速飛過，且vA＞vB，對于在飛機上的人觀察結(jié)果，下列說法正確的是

(

)A．A飛機上的人觀察到足球場的長度比B飛機上的人觀察到的大B．A飛機上的人觀察到足球場的長度比B飛機上的人觀察到的小C．兩飛機上的人觀察到足球場的長度相同D．兩飛機上的人觀察到足球場的寬度相同答案：BD

新知學(xué)習(xí)(二)|經(jīng)典力學(xué)與量子力學(xué)的比較[任務(wù)驅(qū)動]粒子對撞機可以把質(zhì)子加速到接近于光速，如圖所示。經(jīng)典力學(xué)是否適用于質(zhì)子的運動規(guī)律？如何研究質(zhì)子的運動規(guī)律？提示：不適用，經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀低速運動，描述微觀高速粒子的運動要用到量子力學(xué)和相對論。

[重點釋解]1．低速與高速的理解(1)低速：通常所見物體的運動，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皆為低速運動物體。(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．牛頓力學(xué)與相對論、量子力學(xué)的比較

牛頓力學(xué)(經(jīng)典力學(xué))相對論、量子力學(xué)區(qū)別(1)牛頓力學(xué)適用于低速運動的物體(2)牛頓力學(xué)適用于宏觀世界(3)牛頓力學(xué)在弱引力的情況下與實驗結(jié)果符合得很好(1)相對論闡述物體在以接近光速運動時所遵循的規(guī)律(2)量子力學(xué)能夠正確描述微觀粒子的運動規(guī)律(3)相對論能夠解釋強引力情況下的作用規(guī)律聯(lián)系(1)當物體的運動速度遠小于光速時，相對論物理學(xué)與牛頓物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別(2)當另一個重要常數(shù)即普朗克常量可以忽略不計時，量子力學(xué)和牛頓力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別(3)相對論和量子力學(xué)并沒有否定牛頓力學(xué)，牛頓力學(xué)是二者在一定條件下的特殊情形[針對訓(xùn)練]1．經(jīng)典力學(xué)只適用于“宏觀世界”，這里的“宏觀世界”是指

(

)A．行星、恒星、星系等巨大的物質(zhì)領(lǐng)域B．地球表面上的物質(zhì)世界C．人眼能看到的物質(zhì)世界D．不涉及分子、原子、電子等微觀粒子的物質(zhì)世界解析：前三個選項說的當然都屬于“宏觀世界”，但都很片面，沒有全面描述，本題應(yīng)選D。答案：D

2．(多選)關(guān)于牛頓力學(xué)、相對論和量子力學(xué)，下列說法正確的是

(

)A．相對論和牛頓力學(xué)是相互對立、互不相容的兩種理論B．在物體高速運動時，物體的運動規(guī)律適用相對論理論，在低速運動時，物體的運動適用牛頓運動定律C．牛頓力學(xué)適用于宏觀物體的運動，量子力學(xué)適用于微觀粒子的運動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)都是適用的解析：首先必須知道，牛頓力學(xué)解決低速、宏觀問題，高速運動和強引力作用問題應(yīng)由相對論解決，微觀問題應(yīng)由量子力學(xué)解決。相對論并沒有否定牛頓力學(xué)，而是認為牛頓力學(xué)是相對論理論在一定條件下的特殊情況，故選項A、D錯誤，B、C正確。答案：BC

3．關(guān)于經(jīng)典時空觀和相對論時空觀，下列說法錯誤的是

(

)A．經(jīng)典時空觀認為時間和空間是獨立于物體及其運動而存在的B．相對論時空觀認為時間和空間與物體及其運動有關(guān)系C．經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀、低速運動問題，不適用于微觀、高速運動問題D．當物體的運動速度遠小于光速時，相對論和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論仍有很大的區(qū)別解析：經(jīng)典時空觀認為時間和空間是獨立于物體及其運動而存在的，而相對論時空觀認為時間和空間與物體及其運動有關(guān)系，A、B正確；經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀、低速運動問題，不適用于微觀、高速運動問題，C正確；當物體的運動速度遠小于光速時，相對論和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別，D錯誤。答案：D一、好素材分享——看其他教材如何落實核心素養(yǎng)

科學(xué)思維——“動尺變短”的應(yīng)用1．(選自魯科版新教材課后練習(xí))慣性參考系S中有一邊長為l的正方形。從相對S系沿x方向以接近光速勻速飛行的飛行器上測得該正方形的圖像可能是

(

)解析：由相對論知識可知，運動的飛行器上觀測到正方形應(yīng)該在運動方向上的邊長變短，而在垂直于運動方向上的邊長不變，故選項C正確。答案：C

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任——“中國天眼”與天文學(xué)家南仁東2．(選自魯科版新教材“科學(xué)書屋”)被譽為“中國天眼”的射電望遠鏡(FivehundredmetersApertureSphericalRadioTelescope，F(xiàn)AST)由主動反射面系統(tǒng)、饋源支撐系統(tǒng)、測量與控制系統(tǒng)、接收機與終端及觀測基地等幾大部分構(gòu)成。從1994年提出構(gòu)想到2016年落成啟用，歷時22年，是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)，世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡。目前“中國天眼”已發(fā)現(xiàn)若干脈沖星，人們期待其有進一步的天文發(fā)現(xiàn)?！爸袊煅邸钡氖紫茖W(xué)家兼總工程師南仁東(1945—2017)，為選擇最佳臺址，帶著300多幅衛(wèi)星遙感圖，跋涉在中國西南的大山里，先后對比了1000多個洼地。工程建設(shè)中，他克服了技術(shù)、資金等重重困難，為工程的順利完成作出了卓越的貢獻。他用人生最后的22年，精益求精、堅毅執(zhí)著地實現(xiàn)了一個夢想，用生命鑄就了世人矚目的“中國天眼”。二、新題目精選——品立意深處所蘊含的核心價值1．明明同學(xué)站在一條長木桿的中央附近，并且看到木桿落在

地上時是兩頭同時落地，所以明明同學(xué)認為這木桿是平著

落到了地上，若在木桿開始下落時飛飛同學(xué)正以接近光速的速度沿木桿方向從木桿中點前面掠過，如圖所示，她看到

(

)A．兩端同時落地B．A端比B端先落地C．B端比A端先落地D．木桿是向左傾斜著落地的解析：站在一條長木桿的中央附近的明明同學(xué)看到木桿落在地上時是兩頭同時落地；飛飛同學(xué)正以接近光速的速度從木桿中點前面掠過，飛飛同學(xué)以自己為參考系，認為桿以接近光速的速度向左運動的同時在下落，桿的B端在飛飛同學(xué)運動的前方，則飛飛同學(xué)看到B端先落地，即她看到木桿是向右傾斜著落地的，故C正確。答案：C

2．(2022·江蘇常熟高一下期中)科學(xué)家曾宣布探測到引力波的存在。引力波是實驗驗證愛因斯坦相對論的最后一塊缺失的“拼圖”，相對論在一定范圍內(nèi)彌補了經(jīng)典力學(xué)的局限性。關(guān)于經(jīng)典力學(xué)，下列說法正確的是

(

)A．經(jīng)典力學(xué)完全適用于宏觀低速運動B．經(jīng)典力學(xué)取得了巨大成就，是普遍適用的C．隨著