7.5 相對論時空觀與牛頓力學的局限性（解析版）-高一物理同步講義（人教版）

7.5相對論時空觀與牛頓力學的局限性【學習目標】1．知道以牛頓運動定律為基礎的經(jīng)典力學的適用范圍。2．知道相對論、量子力學和經(jīng)典力學的關系。3．通過對牛頓力學適用范圍的討論，使學生知道物理中的結論和規(guī)律一般都有其適用范圍，認識知識的變化性和無窮性，培養(yǎng)獻身于科學的時代精神?！緦W習重點】了解經(jīng)典力學的局限性【學習難點】了解相對論、量子力學與經(jīng)典力學的關系一、相對論時空觀1．19世紀，英國物理學家麥克斯韋根據(jù)電磁場理論預言了電磁波的存在，并證明電磁波的傳播速度等于光速c.2．1887年的邁克耳孫—莫雷實驗以及其他一些實驗表明：在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的！這與牛頓力學中不同參考系之間的速度變換關系不符(填“相符”或“不符”)．3．愛因斯坦假設：在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的．4．時間延緩效應(1)如果相對于地面以v運動的慣性參考系上的人觀察到與其一起運動的物體完成某個動作的時間間隔為Δτ，地面上的人觀察到該物體在同一地點完成這個動作的時間間隔為Δt，那么兩者之間的關系是Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\f(v,c)2)).(2)Δt與Δτ的關系總有Δt＞Δτ(填“>”“<”或“＝”)，即物理過程的快慢(時間進程)與運動狀態(tài)有關．(填“有關”或“無關”)5．長度收縮效應：(1)如果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，那么兩者之間的關系是l＝l0eq\r(1－\f(v,c)2).(2)l與l0的關系總有l(wèi)＜l0(填“>”“<”或“＝”)，即運動物體的長度(空間距離)跟物體的運動狀態(tài)有關．(填“無關”或“有關”)二、牛頓力學的成就與局限性1．牛頓力學的成就：牛頓力學的基礎是牛頓運動定律，萬有引力定律的建立與應用更是確立了人們對牛頓力學的尊敬．2．牛頓力學局限性：牛頓力學的適用范圍是低速(填“高速”或“低速”)運動的宏觀(填“宏觀”或“微觀”)物體．(1)當物體以接近光速運動時，有些規(guī)律與牛頓力學的結論不相同．(2)電子、質子、中子等微觀粒子的運動規(guī)律在很多情況下不能用牛頓力學來說明．3．牛頓力學不會被新的科學成就所否定，當物體的運動速度遠小于光速c時，相對論物理學與牛頓力學的結論沒有區(qū)別．判斷下列說法的正誤．(1)運動的時鐘顯示的時間變慢，高速飛行的μ子的壽命變長．(√)(2)沿著桿的方向，相對于觀察者運動的桿的長度變短．(√)(3)經(jīng)典力學只適用于世界上普通的物體，研究天體的運動經(jīng)典力學就無能為力了．(×)(4)洲際導彈的速度可達到6000m/s，在這種高速運動狀態(tài)下，經(jīng)典力學不適用．(×)(5)對于質子、電子的運動情況，經(jīng)典力學同樣適用．(×)知識點一、相對論時空觀1．低速與高速(1)低速：通常所見物體的運動，如行駛的汽車、發(fā)射的導彈、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．相對論的兩個效應(1)時間延緩效應：運動時鐘會變慢，即Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\f(v,c)2)).(2)長度收縮效應：運動長度會收縮，即l＝l0eq\r(1－\f(v,c)2).【經(jīng)典例題1】在靜止坐標系中的正立方體邊長為l0，另一坐標系以相對速度v平行于正立方體的一邊運動．問在后一坐標系中的觀察者測得的立方體的體積是多少？答案l03eq\r(1－\f(v,c)2)解析本題中正立方體相對于另一坐標系以速度v運動，一條邊與運動方向平行，則坐標系中觀察者測得該條邊的長度為l＝l0eq\r(1－\f(v,c)2)測得立方體的體積為V＝l02l＝l03eq\r(1－\f(v,c)2).1．物體靜止長度l0和運動長度l之間的關系為l＝l0eq\r(1－\f(v2,c2)).2．相對于地面以速度v運動的物體，從地面上看：(1)沿著運動方向上的長度變短了，速度越大，變短得越多．(2)在垂直于運動方向不發(fā)生長度收縮效應現(xiàn)象．【變式訓練1】A、B兩火箭沿同一方向高速飛過地面上的某處，vA＞vB，在地面上的人觀察到的結果正確的是()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上的時鐘走得最慢答案B解析由Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\f(v2,c2)))知，地面上的人觀察到的結果為：A、B兩火箭上的時鐘都變慢了．又vA＞vB，則A火箭上的時鐘走得最慢，地面上的時鐘走得最快，因此B正確，A、C、D錯誤．知識點二、牛頓力學的成就與局限性1．經(jīng)典力學的局限性及適用范圍(1)經(jīng)典力學適用于低速運動的物體，相對論闡述了物體在以接近光速運動時所遵循的規(guī)律．(2)經(jīng)典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．相對論和量子力學沒有否定經(jīng)典力學(1)當物體的運動速度遠小于光速時，相對論物理學與經(jīng)典物理學的結論沒有區(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，量子力學和經(jīng)典力學的結論沒有區(qū)別．(3)相對論和量子力學并沒有否定經(jīng)典力學，經(jīng)典力學是二者在一定條件下的特殊情形．【經(jīng)典例題1】下列關于經(jīng)典力學的說法正確的是()A．經(jīng)典力學適用于宏觀、低速(遠小于光速)運動的物體B．經(jīng)典力學適用于微觀、高速(接近光速)運動的粒子C．相對論和量子力學的出現(xiàn)，表明經(jīng)典力學已被完全否定了D．經(jīng)典力學在理論和實踐上取得了巨大的成功，從地面到天體的運動都服從經(jīng)典力學的規(guī)律，因此任何情況下都適用答案A【變式訓練1】經(jīng)典力學規(guī)律有其局限性．物體以下列哪個速度運動時，經(jīng)典力學規(guī)律不適用()A．2.5×10－5m/s B．2.5×102m/sC．3.5×103m/s D．2.5×108m/s答案D一、單項選擇題1．假設地面上有一火車以接近光速的速度運行，其內站立著一個中等身材的人，站在路旁的人觀察車里的人，觀察的結果是()A．這個人是一個矮胖子 B．這個人是一個瘦高個子C．這個人矮但不胖 D．這個人瘦但不高答案D解析取路旁的人為慣性系，車上的人相對于路旁的人高速運動，根據(jù)長度收縮效應，人在運動方向上將變窄，但在垂直于運動方向上沒有發(fā)生變化，故選D.2．如圖2所示，強強乘坐速度為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，強強向壯壯發(fā)出一束光進行聯(lián)絡，則壯壯觀測到該光速的傳播速度為()A．0.4cB．0.5cC．0.9cD．1.0c答案D解析根據(jù)光速不變原理，在一切慣性參考系中測量到的真空中的光速c都一樣，而壯壯所處參考系即為慣性參考系，因此壯壯觀察到的光速為1.0c，選項D正確．3．話說有兄弟兩個，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，哥哥驚奇地發(fā)現(xiàn)弟弟比自己要蒼老許多，則該現(xiàn)象的科學解釋是()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，在其上的時間進程就越慢，生理過程也越慢D．這是神話，科學無法解釋答案C解析根據(jù)相對論的時間延緩效應，當飛船速度接近光速時，時間會變慢，時間延緩效應對生命過程、化學反應等也是成立的．飛船運行的速度越大，時間延緩效應越明顯，人體新陳代謝越緩慢．4.關于經(jīng)典力學，下列說法中正確的是()A．相對論與量子力學否定了經(jīng)典力學理論B．經(jīng)典力學可以解決自然界中所有的問題C．經(jīng)典力學適用于微觀領域質子、電子的運動D．經(jīng)典力學適用于發(fā)射的導彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船的運動解析：選D.相對論與量子力學并沒有否定經(jīng)典力學，而是在其基礎上發(fā)展起來的，有各自成立范圍，A錯誤；經(jīng)典力學只能解決宏觀低速物體的問題，對于微觀或高速的物體不再適用，B、C錯誤；經(jīng)典力學適用于宏觀低速物體，適用于發(fā)射的導彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船的運動，D正確．5.經(jīng)典力學不能適用于下列哪些運動()A．火箭的發(fā)射B．宇宙飛船繞地球的運動C．宇宙探測器在太空的運動D．電子的波動性解析：選D.經(jīng)典力學只適用于宏觀低速物體，而不適用于微觀高速粒子的運動，則經(jīng)典力學不適用于電子的波動性，故選D.6.如圖所示，強強乘坐速度為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，強強向壯壯發(fā)出一束光進行聯(lián)絡，則壯壯觀測到該光束的傳播速度為()A．0.4c B．0.5cC．0.9c D．c解析：選D.根據(jù)愛因斯坦相對論，在任何參考系中，光速不變，即光速不隨光源和觀察者所在參考系的相對運動而改變．所以壯壯觀測到該光束的傳播速度為c，所以A、B、C錯誤，D正確．7.一高速列車通過洞口為圓形的隧道，列車上的司機對隧道的觀察結果為()A．洞口為橢圓形，長度變短B．洞口為圓形、長度不變C．洞口為橢圓形、長度不變D．洞口為圓形，長度變短解析：選D.根據(jù)尺縮效應，在尺子長度方向上運動的尺子比靜止的尺子短．所以高速列車通過洞口為圓形的隧道時，列車上的司機仍然會觀察到圓形的洞口，但是觀察到的隧道的長度變短，故選D.二、多項選擇題8．下列說法中正確的是()A．經(jīng)典力學是以牛頓的三大定律為基礎的B．經(jīng)典力學在任何情況下都適用C．當物體的速度接近光速時，經(jīng)典力學就不適用了D．相對