新教材同步備課2024春高中物理第7章萬有引力與宇宙航行5.相對論時空觀與牛頓力學的局限性教師用書新人教版必修第二冊

5．相對論時空觀與牛頓力學的局限性1．知道愛因斯坦兩個假設(shè)的基本內(nèi)容，初步了解相對論時空觀。2．知道光速不變原理，會用長度收縮效應(yīng)和時間延緩效應(yīng)分析問題。3．相識牛頓力學的局限性，體會人類對自然界的探究是不斷深化的。相對論時空觀1．愛因斯坦的兩個假設(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。2．時間和空間的相對性(1)時間延緩效應(yīng)。假如相對于地面以v運動的慣性參考系上的人視察到與其一起運動的物體完成某個動作的時間間隔為Δτ，地面上的人視察到該物體完成這個動作的時間間隔為Δt，那么兩者之間的關(guān)系是Δt＝Δτ由于物體的速度不行能達到光速，所以1－vc2＜1，總有Δt>Δ(2)長度收縮效應(yīng)。假如與桿相對靜止的人測得桿長是l0，沿著桿的方向，以速度v相對桿運動的人測得桿長是l，那么兩者之間的關(guān)系是l＝l01-由于1－vc2<1，所以總有l(wèi)<l3．相對論時空觀Δt＝Δτ1-vc2和l＝運動物體的長度(空間距離)和物理過程的快慢(時間進程)都跟物體的運動狀態(tài)有關(guān)，如圖所示，靜止在地球上的人測得地月之間的距離為l0?！締栴}】(1)坐在從地球高速飛往月球的飛船里的航天員測得地月之間的距離仍為l0嗎？(2)事實上物體長度和時間的長度真的變更了嗎？(3)我們平常為何視察不到長度收縮效應(yīng)呢？提示：(1)不是，航天員測得的地月之間的距離小于l0。(2)沒有，這只是一種觀測效果。(3)依據(jù)長度收縮效應(yīng)表達式l＝l01-vc2，因為我們生活在低速世界中，v?c，l1．狹義相對論的兩個假設(shè)(1)相對性原理物理規(guī)律在一切慣性參考系中都具有相同的形式。(2)光速不變原理在一切慣性參考系中，測得的真空中的光速c都相同。2．相對論時空觀得到的兩個效應(yīng)(1)時間延緩效應(yīng)：假如相對于地面以v運動的慣性參考系上的人視察到與其一起運動的物體完成某個動作的時間間隔為Δτ，那么地面上的人視察到該物體在同一地點完成這個動作的時間間隔為Δt，有Δt＝Δτ1-vc2，c為真空中的光速，總有理解：①對同一物理過程閱歷的時間，在不同的慣性參考系中觀測，測得的結(jié)果不同，時間延緩效應(yīng)是一種觀測效應(yīng)，不是被測過程的節(jié)奏變更了。②慣性參考系速度越大，地面上的人觀測到的時間越長。③由于運動是相對的，故在某一參考系中觀測另一參考系中發(fā)生的物理事務(wù)，總會感到時間延緩效應(yīng)。即慣性參考系中的人觀測地面上發(fā)生的事務(wù)的時間也延緩。(2)長度收縮效應(yīng)：假如與桿相對靜止的人測得桿長是l0，沿著桿的方向，以v相對桿運動的人測得桿長是l，有l(wèi)＝l01-vc2，總有l(wèi)理解：①長度收縮效應(yīng)也是一種觀測效應(yīng)，不是物體本身發(fā)生了收縮。②在垂直于運動方向上，物體不會發(fā)生收縮效應(yīng)。③由于運動是相對的，故在某一參考系中觀測另一參考系中沿桿方向的長度，總有長度收縮效應(yīng)。即在靜止慣性參考系中的人觀測運動的桿，沿桿運動方向的長度發(fā)生收縮。【典例1】一支靜止時30m的火箭以3km/s的速度從視察者的身邊飛過。(1)視察者測得火箭的長度應(yīng)為多少？(2)火箭上的人測得火箭的長度應(yīng)為多少？(3)假如火箭的速度為光速的二分之一，視察者測得火箭的長度應(yīng)為多少？(4)火箭內(nèi)完好的手表走過了1min，地面上的人認為經(jīng)過了多少時間？[思路點撥]解此題的關(guān)鍵是理解公式l＝l01-v2c2、[解析]火箭上的人相對火箭恒久是靜止的，無論火箭速度是多少，火箭上的人測得火箭長與靜止時測得的火箭的長均是l0＝30m，而火箭外面的視察者看火箭時，有相對速度v，則它的測量值要縮短，即l＜l0，由l＝l01-v2c2，當v＝3×103m/s時，l＝30×1-10-10m≈30m，當v＝cΔt＝Δτ1-v2[答案](1)約30m(2)30m(3)約26m(4)約1min理解相對論效應(yīng)的兩點留意(1)時間延緩效應(yīng)是一種觀測效應(yīng)，不是時鐘走快了或走慢了，也不是被觀測過程的節(jié)奏變更了。(2)長度收縮效應(yīng)也是一種觀測效應(yīng)，不是物體本身發(fā)生了收縮。另外，在垂直于運動方向上不會發(fā)生收縮效應(yīng)。[跟進訓(xùn)練]1．A、B兩火箭沿同一方向高速飛過地面上的某處，vA＞vB，在火箭A上的人視察到的結(jié)果正確的是()A．火箭A上的時鐘走得最快B．地面上的時鐘走得最快C．火箭B上的時鐘走得最快D．火箭B上的時鐘走得最慢A[在火箭A上的人看來，地面和火箭B都高速遠離自己，由Δt＝Δτ1-vc2知，在火箭A上的人視察到的結(jié)果是地面和火箭B上的時鐘都變慢了，且vA2．在一個飛船上測得船的長度為100m，高度為10m，當飛船以0.60c的速度從你身邊經(jīng)過時，按你的測量，飛船的高度和長度各為多少？[解析]因為長度收縮只發(fā)生在運動的方向上，在垂直于運動方向上的長度不發(fā)生這種效應(yīng)，故飛船的高度仍為10m，若測得飛船的長度為l，由長度收縮效應(yīng)知l＝l01-v2c[答案]10m80m牛頓力學的成就與局限性1．牛頓力學的成就：從地面上物體的運動到天體的運動，都聽從牛頓力學的規(guī)律。2．牛頓力學的局限性(1)微觀世界：電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，它們不僅具有粒子性，同時還具有波動性，它們的運動規(guī)律在很多狀況下不能用牛頓力學來說明。(2)牛頓力學只適用于低速運動，不適用于高速運動。如圖所示是粒子對撞機，它是人類探討物質(zhì)基本微觀結(jié)構(gòu)的重要工具，通過持續(xù)輸入能量，讓亞原子粒子在管道中以極限接近光速的速度高速運動?！締栴}】(1)牛頓力學是否適用于質(zhì)子的運動規(guī)律？(2)如何探討質(zhì)子的運動規(guī)律？(3)相對論、量子力學否定了牛頓力學嗎？提示：(1)不適用，牛頓力學只適用于宏觀低速運動。(2)描述微觀高速粒子的運動要用到量子力學。(3)相對論、量子力學沒有否定牛頓力學，牛頓力學是相對論、量子力學在確定條件下的特例。1．牛頓力學與相對論、量子力學的區(qū)分(1)牛頓力學適用于低速運動的物體；相對論是愛因斯坦闡述物體在以接近光速運動時所遵循的規(guī)律。(2)牛頓力學適用于宏觀世界；量子力學能夠正確描述微觀粒子的運動規(guī)律。2．牛頓力學與相對論、量子力學的聯(lián)系(1)當物體的運動速度遠小于光速時，相對論物理學與牛頓力學的結(jié)論沒有區(qū)分。(2)當另一個重要常數(shù)即普朗克常量h可以忽視不計時，量子力學和牛頓力學的結(jié)論沒有區(qū)分。(3)相對論和量子力學并沒有否定牛頓力學，牛頓力學是二者在確定條件下的特別情形?！镜淅?】關(guān)于牛頓力學、愛因斯坦假設(shè)和量子力學，下列說法正確的是()A．愛因斯坦假設(shè)和牛頓力學是相互對立、互不相容的兩種理論B．牛頓力學包含于相對論之中，牛頓力學是相對論的特例C．牛頓力學只適用于宏觀物體的運動，量子力學只適用于微觀粒子的運動D．不論是宏觀物體，還是微觀粒子，牛頓力學和量子力學都是適用的B[相對論沒有否定牛頓力學，牛頓力學是相對論在確定條件下的特別情形，A錯誤，B正確；牛頓力學適用于宏觀、低速、弱引力的領(lǐng)域，C、D錯誤。][跟進訓(xùn)練]3．關(guān)于牛頓力學的適用范圍和局限性，下列說法正確的是()A．牛頓力學過時了，應(yīng)當被量子力學所取代B．由于超音速飛機的速度太大，其運動不能用牛頓力學來說明C．人造衛(wèi)星的運動不適合用牛頓力學來描述D．當物體的速度接近光速時，其運動規(guī)律不適合用牛頓力學來描述D[牛頓力學沒有過時，在低速宏觀問題中照舊適用，故A錯誤；超音速飛機的速度遠低于光速，其運動能用牛頓力學來說明，故B錯誤；人造衛(wèi)星的運動速度遠低于光速，適合用牛頓力學來描述，故C錯誤；當物體的速度接近光速時，其運動規(guī)律不適合用牛頓力學來描述，故D正確。]1．對于時空觀的相識，下列說法正確的是()A．相對論給出了物體在低速運動時所遵循的規(guī)律B．相對論具有普遍性，經(jīng)典物理學為它在低速運動時的特例C．相對論的出現(xiàn)使經(jīng)典物理學在自己的適用范圍內(nèi)不再接著發(fā)揮作用D．經(jīng)典物理學建立在試驗的基礎(chǔ)上，它的結(jié)論又受到多數(shù)次試驗的檢驗，因此在任何狀況下都適用B[相對論給出了物體在高速運動時所遵循的規(guī)律，經(jīng)典物理學為它在低速運動時的特例，在自己的適用范圍內(nèi)還將接著發(fā)揮作用；經(jīng)典物理學適用于宏觀、低速運動，不適用于微觀、高速運動，故A、C、D錯誤，B正確。]2．(多選)下列說法正確的是()A．物理規(guī)律在全部慣性系中都具有相同的形式B．在真空中，光的速度與光源的運動狀態(tài)無關(guān)C．在慣性系和非慣性系中光都是沿直線傳播的D．在全部慣性系中，光在真空中沿任何方向傳播的速度都相同ABD[依據(jù)相對性原理知，物理規(guī)律在全部慣性系中都具有相同的形式，A正確；依據(jù)光速不變原理知，B、D正確；在慣性系中光是沿直線傳播的，在非慣性系中光不是沿直線傳播，而是一段弧線，C錯誤。]3．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D[依據(jù)相對論的時間延緩效應(yīng)可知，速度越大，鐘走得越慢，D正確。]4．甲、乙兩人站在地面上時身高都是L0，甲、乙分別乘坐速度為0.6c和0.8c(c為光速)的飛船同向運動，如圖所示。此時乙視察到甲的身高L________L0；若甲向乙揮手，動作時間為t0，乙視察到甲動作時間為t1，則t1________t0。(均選填“＞”“＝”或“＜”)[解析]因為人站立時是垂直于飛船速度方向的，沒有長度收縮效應(yīng)，身高L＝L0；乙比甲運動得快，故依據(jù)相對論的時間延緩效應(yīng)可知t1>t0。[答案]＝>回來本節(jié)學問，自我完成以下問題：1．愛因斯坦兩個假設(shè)的內(nèi)容是什么？提示：(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。2．狹義相對論的兩個效應(yīng)是什么？提示：(1)時間延緩效應(yīng)：運動時鐘會變慢，即Δt＝Δτ(2)長度收縮效應(yīng)：運動長度l會收縮，即l＝l01-課時分層作業(yè)(十二)相對論時空觀與牛頓力學的局限性◎題組一相對論時空觀1．下列屬于狹義相對論基本假設(shè)的是：在不同的慣性系中()A．真空中光速不變B．時間間隔具有相對性C．物體的質(zhì)量不變D．物體的能量與質(zhì)量成正比A[狹義相對論的基本假設(shè)有：(1)狹義相對論的相對性原理——在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的；(2)光速不變原理——對隨意慣性參考系，真空中的光速都相等，A正確。]2．如圖所示，沿平直鐵路途有間距相等的三座鐵塔A、B和C。假想有一列車沿AC方向接近光速行駛，當鐵塔B發(fā)出一個閃光時，列車上的視察者看到A、C兩鐵塔被照亮的依次是()A．同時被照亮 B．A先被照亮C．C先被照亮 D．無法推斷C[因列車沿AC方向接近光速行駛，故它靠近C遠離A，所以光由B動身后，C的反射光先到達列車上的視察者，所以視察者看到C先被照亮，故C正確。]3．(多選)接近光速飛行的飛船上和地球上各有一只相同的銫原子鐘，飛船和地球上的人觀測這兩只鐘的快慢，下列說法正確的有()A．飛船上的人觀測到飛船上的鐘較快B．飛船上的人觀測到飛船上的鐘較慢C．地球上的人觀測到地球上的鐘較快D．地球上的人觀測到地球上的鐘較慢AC[飛船上的人視察鐘表時，是以飛船為參考系，看到地球上的鐘表在高速運動，視察到地球上的鐘慢，即飛船上的鐘快，A正確，B錯誤；同理地球上的人是以地球為參考系，視察結(jié)果是地球上的鐘快，即飛船上的鐘慢，C正確，D錯誤。]4．假如航天員以接近于光速的速度朝某一星體飛行，下列說法正確的是()A．航天員依據(jù)自己的質(zhì)量在增加發(fā)覺自己在運動B．航天員依據(jù)自己的心臟跳動在慢下來發(fā)覺自己在運動C．航天員依據(jù)自己在變小發(fā)覺自己在運動D．航天員恒久不能由自身的變更知道自己的速度D[依據(jù)狹義相對論學問可知，航天員以飛船為慣性系，其相對于慣性系的速度始終為零，因此他不行能發(fā)覺自身變更，也不能由自身變更知道自己的速度，故D正確。]5．如圖所示，強強乘坐速度為0.9c(c為光速)的宇宙飛船追逐正前方的壯壯，壯壯的飛行速度為0.5c，強強向壯壯發(fā)出一束光進行聯(lián)絡(luò)，則壯壯麗測到該光速的傳播速度為()A．0.4c B．0.9cC．1.0c D．1.4cC[依據(jù)光速不變原理，在一切慣性參考系中測量到真空中的光速c都一樣，而壯壯所處參考系即為慣性參考系，因此壯壯麗測到的光速為1.0c，故C正確，A、B、D錯誤。]◎題組二牛頓力學的局限性6．物理學史上很多物理學家的科學探討推動了人類文明的進程，關(guān)于相對論時空觀與牛頓力學的局限性，下列說法正確的是()A．牛頓力學能夠說明微觀粒子的規(guī)律性，仍能適用于宏觀物體的高速運動問題B．相對論與量子力學的出現(xiàn)否定了牛頓力學，表示牛頓力學已失去意義C．牛頓力學并不等于牛頓運動定律，牛頓運動定律只是牛頓力學的基礎(chǔ)D．牛頓力學在現(xiàn)代廣泛應(yīng)用，它的正確性無可懷疑，仍是普遍適用的C[牛頓力學具有確定的局限性，只能適用于宏觀、低速運動的物體，而對于微觀、高速運動的物體則不適用，并不具有普遍性，故A、D錯誤；相對論與量子力學的出現(xiàn)并未否定牛頓力學，而是補充了牛頓力學的不足，它們并不能替代牛頓力學的地位，故B錯誤；牛頓力學并不等于牛頓運動定律，牛頓運動定律只是牛頓力學的基礎(chǔ)，故C正確。]7．(多選)下列聽從牛頓力學規(guī)律的是()A．自行車、汽車、火車、飛機等交通工具的運動B．放射導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船C．以接近光速飛行的μ子的運動D．地殼的變動ABD[牛頓力學適用于宏觀、低速運動的物體，所以A、B、D正確；當物體運動的速率接近于光速時，牛頓力學就不適用了，故C錯誤。]8．(多選)2024年1月10日消息，我國國內(nèi)首款量子平安通話產(chǎn)品試商用。量子通信是利用量子力學原理對量子態(tài)進行操控的一種通信形式，可以有效解決信息平安問題。關(guān)于牛頓力學和相對論、量子力學，下列說法正確的是()A．量子力學和牛頓力學對宏觀物體和微觀粒子都是適用的B．牛頓力學理論的成立具有確定的局限性C．量子力學適用于微觀粒子的運動，牛頓力學適用于宏觀物體的運動D．量子力學與相對論否定了牛頓力學理論BC[牛頓力學適用于宏觀低速物體的運動，不適用于微觀高速粒子的運動，故A錯誤，C正確；牛頓力學適用于宏觀低速物體的運動，所以牛頓力學理論的成立具有確定的局限性，故B正確；牛頓力學適用于宏觀低速的物體的運動，不適用于微觀高速粒子的運動，所以量子力學與相對論并沒有否定牛頓力學，故D錯誤。]9．有兄弟兩個，哥哥乘坐宇宙飛船以接近光的速度離開地球去遨游太空，經(jīng)過一段時間返回地球，哥哥驚異地發(fā)覺弟弟比自己要蒼老很多，則該現(xiàn)象的科學說明是()A．哥哥在太空中發(fā)生了基因突變，停止生長了B．弟弟思念哥哥而加速生長了C．由相對論可知，物體速度越大，其時間進程就越慢，生理過程也越慢D．這是神話，科學無法說明C[依據(jù)相對論的時間延緩效應(yīng)，當飛船速度接近光速時，時間會變慢，時間延緩效應(yīng)對生命過程、化學反應(yīng)等也是成立的，飛船運行的速度越大，時間延緩效應(yīng)越明顯，人體新陳代謝越緩慢，故C正確。]10．宇宙飛船以速度v相對地面做勻速直線飛行。某一時刻，飛船頭部的航天員向飛船尾部發(fā)出一光信號，光速為c，經(jīng)Δt(飛船上的鐘測量)時間后，被尾部接收器收到。由此可知飛船固有長度為()A．cΔt B．vΔtC．cΔt1-vc2 D．cA[依據(jù)光速不變原理，可知光以光速c傳播，在飛船參考系中，可得飛船的固有長度L0＝cΔt，故A正確。]11．半人馬星座α星是離太陽系最近的恒星，它距地球為4.3×1016m。設(shè)有一宇宙飛船自地球來回于半人馬星座α星之間。(1)若宇宙飛船的速率為0.999c，按地球上時鐘計算，飛船來回一次須要時間為________s。(2)如以飛船上時鐘