新人教版高中物理必修第二冊(cè) 7.5 相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性優(yōu)質(zhì)課件

5相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性第七章萬(wàn)有引力與宇宙航行1.了解相對(duì)論時(shí)空觀，知道時(shí)間延緩效應(yīng)和長(zhǎng)度收縮效應(yīng).2.認(rèn)識(shí)牛頓力學(xué)的成就，適用范圍及局限性.3.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.學(xué)習(xí)目標(biāo)1.19世紀(jì)，英國(guó)物理學(xué)家

根據(jù)電磁場(chǎng)理論預(yù)言了電磁波的存在，并證明電磁波的傳播速度

光速c.2.1887年邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)以及其他一些實(shí)驗(yàn)表明：在不同的參考系中，光的傳播速度

！這與牛頓力學(xué)中不同參考系之間的速度變換關(guān)系

(填“相符”或“不符”).3.愛(ài)因斯坦假設(shè)：在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是

的；真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的.相對(duì)論時(shí)空觀一麥克斯韋等于都是一樣的不符相同4.時(shí)間延緩效應(yīng)(1)如果相對(duì)于地面以v運(yùn)動(dòng)的慣性參考系上的人觀察到與其一起運(yùn)動(dòng)的物體完成某個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為Δτ，地面上的人觀察到該物體在同一地點(diǎn)完成這個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為Δt，那么兩者之間的關(guān)系是Δt＝

.(2)Δt與Δτ的關(guān)系總有

，即物理過(guò)程的快慢(時(shí)間進(jìn)程)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

.(填“有關(guān)”或“無(wú)關(guān)”)Δt＞Δτ有關(guān)5.長(zhǎng)度收縮效應(yīng)：(1)如果與桿相對(duì)靜止的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l0，沿著桿的方向，以v相對(duì)桿運(yùn)動(dòng)的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l，那么兩者之間的關(guān)系是l＝

.(2)l與l0的關(guān)系總有

，即運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度(空間距離)跟物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

.(填“無(wú)關(guān)”或“有關(guān)”)l＜l0有關(guān)牛頓力學(xué)的成就與局限性二1.牛頓力學(xué)的成就：牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)是

，

定律的建立與應(yīng)用更是確立了人們對(duì)牛頓力學(xué)的尊敬.2.牛頓力學(xué)局限性：牛頓力學(xué)的適用范圍是

(填“高速”或“低速”)運(yùn)動(dòng)的

(填“宏觀”或“微觀”)物體.(1)當(dāng)物體以接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，有些與牛頓力學(xué)的結(jié)論

.(2)電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子的運(yùn)動(dòng)

用牛頓力學(xué)來(lái)說(shuō)明.3.牛頓力學(xué)

被新的科學(xué)成就所否定，當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)的速度

時(shí)，相對(duì)論物理學(xué)與牛頓力學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別.牛頓運(yùn)動(dòng)定律萬(wàn)有引力低速宏觀不相同不能不會(huì)遠(yuǎn)小于光速c即學(xué)即用1.判斷下列說(shuō)法的正誤.(1)運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘顯示的時(shí)間變慢，高速飛行的μ子的壽命變長(zhǎng).(

)(2)沿著桿的方向，相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng)的桿的長(zhǎng)度變短.(

)(3)經(jīng)典力學(xué)只適用于世界上普通的物體，研究天體的運(yùn)動(dòng)經(jīng)典力學(xué)就無(wú)能為力了.(

)(4)洲際導(dǎo)彈的速度可達(dá)到6000m/s，在這種高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，經(jīng)典力學(xué)不適用.(

)(5)當(dāng)物體的速度接近光速時(shí)，經(jīng)典力學(xué)就不適用了.(

)(6)對(duì)于質(zhì)子、電子的運(yùn)動(dòng)情況，經(jīng)典力學(xué)同樣適用.(

)√√××√×2.以約8km/s的速度運(yùn)行的飛船上，一只完好的手表走過(guò)1h，地面上的時(shí)鐘顯示的時(shí)間______(填“大于”“等于”或“小于”)1h.大于相對(duì)論時(shí)空觀一導(dǎo)學(xué)探究地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的速度是3×104m/s，設(shè)在美國(guó)伊利諾斯州費(fèi)米實(shí)驗(yàn)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，請(qǐng)思考：(1)地球的公轉(zhuǎn)速度在狹義相對(duì)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？答案地球公轉(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)在地面上校準(zhǔn)的兩只鐘，一只留在地面上，一只隨宇宙飛船遨游太空，隔一段時(shí)間飛船返回地面時(shí)，兩只鐘顯示的時(shí)間相同嗎？有什么差別？答案不相同，隨飛船旅行的時(shí)鐘變慢(顯示的時(shí)間少).知識(shí)深化1.低速與高速(1)低速：通常所見(jiàn)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皆為低速運(yùn)動(dòng)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.相對(duì)論的兩個(gè)效應(yīng)3.對(duì)于低速運(yùn)動(dòng)的物體，相對(duì)論效應(yīng)可以忽略不計(jì)，一般用經(jīng)典力學(xué)規(guī)律來(lái)處理；對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，經(jīng)典力學(xué)不再適用，需要用相對(duì)論知識(shí)來(lái)處理.例1

在靜止坐標(biāo)系中的正立方體邊長(zhǎng)為l0，另一坐標(biāo)系以相對(duì)速度v平行于正立方體的一邊運(yùn)動(dòng).問(wèn)在后一坐標(biāo)系中的觀察者測(cè)得的立方體的體積是多少？總結(jié)提升相對(duì)于地面以速度v運(yùn)動(dòng)的物體，從地面上看：(1)沿著運(yùn)動(dòng)方向上的長(zhǎng)度變短了，速度越大，變短得越多.(2)在垂直于運(yùn)動(dòng)方向不發(fā)生長(zhǎng)度收縮效應(yīng)現(xiàn)象.例2

A、B兩火箭沿同一方向高速飛過(guò)地面上的某處，vA＞vB，在地面上的人觀察到的結(jié)果正確的是A.火箭A上的時(shí)鐘走得最快

B.地面上的時(shí)鐘走得最快C.火箭B上的時(shí)鐘走得最快

D.火箭B上的時(shí)鐘走得最慢√例2

A、B兩火箭沿同一方向高速飛過(guò)地面上的某處，vA＞vB，在地面上的人觀察到的結(jié)果正確的是A.火箭A上的時(shí)鐘走得最快

B.地面上的時(shí)鐘走得最快C.火箭B上的時(shí)鐘走得最快

D.火箭B上的時(shí)鐘走得最慢√牛頓力學(xué)的成就與局限性二導(dǎo)學(xué)探究如圖1所示，質(zhì)子束被加速到接近光速，經(jīng)典力學(xué)適用于質(zhì)子束的運(yùn)動(dòng)規(guī)律嗎？圖1答案不適用.知識(shí)深化1.經(jīng)典力學(xué)的成就(1)經(jīng)典力學(xué)體系是時(shí)代的產(chǎn)物，是現(xiàn)代機(jī)械、土木建筑、交通運(yùn)輸以至航空航天技術(shù)的理論基礎(chǔ).(2)經(jīng)典力學(xué)的思想方法對(duì)藝術(shù)、政治、哲學(xué)等社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域也有巨大影響.2.經(jīng)典力學(xué)的局限性及適用范圍(1)經(jīng)典力學(xué)適用于低速運(yùn)動(dòng)的物體，相對(duì)論闡述物體在以接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵循的規(guī)律.(2)經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀世界；量子力學(xué)能夠正確描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.3.相對(duì)論和量子力學(xué)沒(méi)有否定經(jīng)典力學(xué)(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(méi)有區(qū)別；(2)當(dāng)另一個(gè)重要常量即“普朗克常量”可以忽略不計(jì)時(shí)，量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別.(3)相對(duì)論和量子力學(xué)并沒(méi)有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是二者在一定條件下的特殊情形.例3

(2019·北師大附中高二上期中)下列關(guān)于經(jīng)典力學(xué)的說(shuō)法正確的是A.經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀、低速(遠(yuǎn)小于光速)運(yùn)動(dòng)的物體B.經(jīng)典力學(xué)適用于微觀、高速(接近光速)運(yùn)動(dòng)的粒子C.相對(duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，表明經(jīng)典力學(xué)已被完全否定了D.經(jīng)典力學(xué)在理論和實(shí)踐上取得了巨大的成功，從地面到天體的運(yùn)動(dòng)都服從經(jīng)典力

學(xué)的規(guī)律，因此任何情況下都適用解析經(jīng)典力學(xué)是狹義相對(duì)論在低速(v?c)條件下的近似，即只要速度遠(yuǎn)小于光速，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)變換狹義相對(duì)論的公式就全部變化為經(jīng)典力學(xué)的公式，故A正確，B、D錯(cuò)誤；相對(duì)論與量子力學(xué)并沒(méi)有否定經(jīng)典力學(xué)，而是在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，故C錯(cuò)誤.√例4

下列運(yùn)動(dòng)中不能用經(jīng)典力學(xué)規(guī)律描述的是A.子彈的飛行B.和諧號(hào)從深圳向廣州飛馳C.人造衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)D.粒子接近光速的運(yùn)動(dòng)解析子彈的飛行、火車的運(yùn)動(dòng)及人造衛(wèi)星繞地球的運(yùn)動(dòng)，都屬于宏觀、低速，經(jīng)典力學(xué)能適用.而粒子接近光速的運(yùn)動(dòng)，不能適用于經(jīng)典力學(xué)，故選D.√1.(長(zhǎng)度收縮效應(yīng))假設(shè)地面上有一火車以接近光速的速度運(yùn)行，其內(nèi)站立著一個(gè)中等身材的人，站在路旁的人觀察車?yán)锏娜?，觀察的結(jié)果是A.這個(gè)人是一個(gè)矮胖子 B.這個(gè)人是一個(gè)瘦高個(gè)子C.這個(gè)人矮但不胖 D.這個(gè)人瘦但不高12345√解析取路旁的人為慣性系，車上的人相對(duì)于路旁的人高速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)長(zhǎng)度收縮效應(yīng)，人在運(yùn)動(dòng)方向上將變窄，但在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上沒(méi)有發(fā)生變化，故選D.62.(時(shí)間延緩效應(yīng))話說(shuō)有兄弟兩個(gè)，哥哥乘坐宇宙飛船以接近光的速度離開(kāi)地球去遨游太空，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間返回地球，哥哥驚奇地發(fā)現(xiàn)弟弟比自己要蒼老許多，則該現(xiàn)象的科學(xué)解釋是A.哥哥在太空中發(fā)生了基因突變，停止生長(zhǎng)了B.弟弟思念哥哥而加速生長(zhǎng)了C.由相對(duì)論可知，物體速度越大，在其上時(shí)間進(jìn)程就越慢，生理過(guò)程也越慢D.這是神話，科學(xué)無(wú)法解釋1234√5解析根據(jù)相對(duì)論的時(shí)間延緩效應(yīng)，當(dāng)飛船速度接近光速時(shí)，時(shí)間會(huì)變慢，時(shí)間延緩效應(yīng)對(duì)生命過(guò)程、化學(xué)反應(yīng)等也是成立的.飛船運(yùn)行的速度越大，時(shí)間延緩效應(yīng)越明顯，人體新陳代謝越緩慢.63.(相對(duì)論效應(yīng))來(lái)自太陽(yáng)和宇宙深處的高能粒子流，與高層大氣作用產(chǎn)生一種叫作μ子的次級(jí)宇宙射線，μ子低速運(yùn)動(dòng)時(shí)的壽命只有3.0μs，按常理，μ子不可能穿過(guò)高度大于100km的大氣層到達(dá)地面，但實(shí)際上在地面上可以觀測(cè)到許多μ子.則根據(jù)相對(duì)論可以確定：在地球上測(cè)量向地球高速飛行的該粒子的平均壽命______(選填“大于”“等于”或“小于”)3.0μs.如果觀察者和μ子一起以接近光速的速度飛向地面，觀察者認(rèn)為大氣層厚度______(選填“大于”“等于”或“小于”)100km；如果觀察者和μ子一起以0.99c的速度飛向地面，觀察者觀察同方向向地球照射的太陽(yáng)光的光速______c.(選填“大于”“等于”或“小于”)12345大于小于等于6解析μ子低速運(yùn)動(dòng)時(shí)的壽命只有3.0μs，根據(jù)時(shí)間延緩效應(yīng)知在地球上測(cè)量向地球高速飛行的該粒子的平均壽命大于3.0μs；根據(jù)長(zhǎng)度收縮效應(yīng)得，如果觀察者和μ子一起以接近光速的速度飛向地面，觀察者認(rèn)為大氣層厚度小于100km；根據(jù)光速不變?cè)淼?，如果觀察者和μ子一起以0.99c的速度飛向地面，觀察者觀察同方向向地球照射的太陽(yáng)光的光速等于c.1234564.(經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性)(多選)下列說(shuō)法中正確的是A.經(jīng)典力學(xué)是以牛頓的三大定律為基礎(chǔ)的B.經(jīng)典力學(xué)在任何情況下都適用C.當(dāng)物體的速度接近光速時(shí)，經(jīng)典力學(xué)就不適用了D.相對(duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，使經(jīng)典力學(xué)失去了意義1234√5√解析牛頓運(yùn)動(dòng)定律是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，A正確；經(jīng)典力學(xué)只適用于低速、宏觀、弱引力場(chǎng)的范圍，B錯(cuò)誤，C正確；相對(duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，并沒(méi)有否定經(jīng)典力學(xué)，只是說(shuō)經(jīng)典力學(xué)有一定的適用范圍，D錯(cuò)誤.65.(經(jīng)典力學(xué)的適用范圍)(2018·慶陽(yáng)中學(xué)期末)關(guān)于經(jīng)典力學(xué)、相對(duì)論和量子力學(xué)，下列說(shuō)法中正確的是A.相對(duì)論和經(jīng)典力學(xué)是相互對(duì)立、互不相容的兩種理論B.經(jīng)典力學(xué)包含于相對(duì)論之中，經(jīng)典力學(xué)是相對(duì)論的特例C.經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)，量子力學(xué)只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，經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)都是適用的12345解析相對(duì)論沒(méi)有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是相對(duì)論在一定條件下的特殊情形，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，B正確；經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀、低速、弱引力的領(lǐng)域，選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤.√6123456.(經(jīng)典力學(xué)的適用范圍)(多選)下列服從經(jīng)典力學(xué)規(guī)律的是A.自行車、汽車、火車、飛機(jī)等交通工具的運(yùn)動(dòng)B.發(fā)射導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船C.以接近光速飛行的μ子的運(yùn)動(dòng)D.地殼的變動(dòng)解析經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀、低速運(yùn)動(dòng)的物體，所以A、B、D正確；當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)的速率接近于光速時(shí)，經(jīng)典力學(xué)就不適用了，故C錯(cuò)誤.√√√64.(經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性)(多選)下列說(shuō)法中正確的是A.經(jīng)典力學(xué)是以牛頓的三大定律為基礎(chǔ)的B.經(jīng)典力學(xué)在任何情況下都適用C.當(dāng)物體的速度接近光速時(shí)，經(jīng)典力學(xué)就不適用了D.相對(duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，使經(jīng)典力學(xué)失去了意義1234√5√解析牛頓運(yùn)動(dòng)定律是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，A正確；經(jīng)典力學(xué)只適用于低速、宏觀、弱引力場(chǎng)的范圍，B錯(cuò)誤，C正確；相對(duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，并沒(méi)有否定經(jīng)典力學(xué)，只是說(shuō)經(jīng)典力學(xué)有一定的適用范圍，D錯(cuò)誤.63.(相對(duì)論效應(yīng))來(lái)自太陽(yáng)和宇宙深處的高能粒子流，與高層大氣作用產(chǎn)生一種叫作μ子的次級(jí)宇宙射線，μ子低速運(yùn)動(dòng)時(shí)的壽命只有3.0μs，按常理，μ子不可能穿過(guò)高度大于100km的大氣層到達(dá)地面，但實(shí)際上在地面上可以觀測(cè)到許多μ子.則根據(jù)相對(duì)論可以確定：在地球上測(cè)量向地球高速飛行的該粒子的平均壽命______(選填“大于”“等于”或“小于”)3.0μs.如果觀察者和μ子一起以接近光速的速度飛向地面，觀察者認(rèn)為大氣層厚度______(選填“大于”“等于”或“小于”)100km；如果觀察者和μ子一起以0.99c的速度飛向地面，觀察者觀察同方向向地球照射的太陽(yáng)光的光速______c.(選填“大于”“等于”或“小于”)12345大于小于等于