《相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性》 素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)

5.相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性

一、相對論時空觀任務(wù)驅(qū)動一架飛機(jī)在上海楊浦大橋上空勻速飛過，飛機(jī)飛行方向與大橋平行，問飛機(jī)上的乘客看到的大橋長度與靜止觀察時相比有什么變化？提示：變短了。1.愛因斯坦兩個假設(shè)：(1)在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是_____的；(2)真空中的光速在不同的參考系中大小都是_____的。相同相同2.時間延緩效應(yīng)：如果相對于地面以v運(yùn)動的慣性參考系上的人觀察到與其一起運(yùn)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(diǎn)完成這個動作的時間間隔為Δt，則Δt=_______。由于1-()2<1，所以總有Δt>Δτ，此種情況稱為時間延緩效應(yīng)。3.長度收縮效應(yīng)：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(yùn)動的人測得桿長是l，則l=__________。由于1-()2<1，所以總有l(wèi)<l0，此種情況稱為長度收縮效應(yīng)。二、牛頓力學(xué)的成就與局限性任務(wù)驅(qū)動能根據(jù)牛頓運(yùn)動定律研究原子中電子的運(yùn)動嗎？提示：不能。1.牛頓力學(xué)的成就：從地面上物體的運(yùn)動到天體的運(yùn)動，都服從_________的規(guī)律。2.牛頓力學(xué)的局限性：(1)微觀世界：電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，發(fā)現(xiàn)它們不僅具有粒子性，同時還具有波動性，它們的運(yùn)動規(guī)律在很多情況下不能用牛頓力學(xué)來說明。(2)牛頓力學(xué)只適用于_____運(yùn)動，不適用于_____運(yùn)動。牛頓力學(xué)低速高速主題一相對論時空觀【生活情境】【問題探究】(1)如圖1所示子彈相對飛船速度是多少？提示：子彈相對于飛船速度為v1+v。(2)如圖2所示光相對飛船的速度是多少？提示：光相對于飛船速度仍然為c。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，不論光源和觀察者做怎樣的相對運(yùn)動，光速都是恒定的。(3)在經(jīng)典力學(xué)和狹義相對論中位移和時間的測量結(jié)果在不同參考系中有何區(qū)別？提示：在經(jīng)典力學(xué)中，同一過程的位移和時間的測量結(jié)果在不同參考系中是相同的；在狹義相對論中，同一過程的位移和時間的測量結(jié)果在不同參考系中是不同的?！窘Y(jié)論生成】1.經(jīng)典時空觀和相對論時空觀： (科學(xué)思維)經(jīng)典時空觀狹義相對論時空觀光速相對的絕對的(不變)同時絕對的相對的時間與空間與運(yùn)動無關(guān)，絕對的與運(yùn)動有關(guān)，相對的2.愛因斯坦的狹義相對論重要結(jié)論：(科學(xué)思維)時間、長度都與參考系的選擇有關(guān)。①同時是相對的。②運(yùn)動的時鐘變慢(鐘慢效應(yīng))：運(yùn)動時鐘的“指針”行走的速率比時鐘靜止時的速率慢，這就是時鐘變慢或時間膨脹效應(yīng)，即Δt=。③運(yùn)動的尺子縮短(尺縮效應(yīng))：如果以l0表示尺子的靜止長度，l表示運(yùn)動時的長度，v表示尺子在其長度方向上運(yùn)動的速度，則l=l0

?！镜淅痉丁康孛嫔祥L100km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？【解析】當(dāng)火箭速度較低時，火箭上的人看到鐵路的長度基本不變，還是100km。當(dāng)火箭的速度達(dá)到0.6c時，由相對論長度公式l=l0

代入相應(yīng)的數(shù)據(jù)得：l=100×km=80km。答案：100km

80km【探究訓(xùn)練】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。若vB<vC，地面上的觀察者認(rèn)為哪個時鐘走得最慢？哪個走得最快？【解析】地面上的觀察者認(rèn)為C鐘走得最慢，因?yàn)樗鄬τ谟^察者的速度最大。根據(jù)公式Δt=可知，相對于觀察者的速度v越大，其上的時間進(jìn)程越慢。A鐘v=0，它記錄的兩事件的時間間隔最大，即A鐘走得最快。答案：地面上的觀察者認(rèn)為C鐘走得最慢，A鐘走得最快。主題二牛頓力學(xué)的成就與局限性【生活情境】【問題探究】(1)圖1《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》是牛頓重要的物理學(xué)哲學(xué)著作，是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，牛頓力學(xué)的適用范圍是什么？提示：適用于宏觀世界、低速運(yùn)動。(2)經(jīng)典力學(xué)與行星軌道的矛盾是什么？說明了什么問題？提示：按牛頓的萬有引力定律推算，行星應(yīng)該沿著一些橢圓做周期性運(yùn)動，而天文觀測表明，行星的軌道并不是嚴(yán)格閉合的，它們的近日點(diǎn)在不斷地旋進(jìn)，如水星的運(yùn)動，說明經(jīng)典力學(xué)只適用于弱引力場，而不適用于強(qiáng)引力場。(3)圖2是相對論的時空觀，經(jīng)典力學(xué)和相對論及量子力學(xué)的關(guān)系如何？提示：經(jīng)典力學(xué)是相對論及量子力學(xué)在一定條件下的特例，它包含于相對論和量子力學(xué)中，相對論和量子力學(xué)的建立并沒有否定經(jīng)典力學(xué)?！窘Y(jié)論生成】經(jīng)典力學(xué)與相對論、量子力學(xué)的比較(科學(xué)思維)經(jīng)典力學(xué)相對論、量子力學(xué)形成時期物理學(xué)形成的初期階段，受歷史發(fā)展限制，理論較膚淺、片面形成于物理學(xué)充分發(fā)展的現(xiàn)代，理論較完善、科學(xué)適用范圍低速運(yùn)動、宏觀世界，弱引力作用任何情況都適用經(jīng)典力學(xué)相對論、量子力學(xué)速度的合成時間與空間互不相干，關(guān)系式v船岸=v船水+v水岸成立速度與位移、時間的測量有關(guān)，v船岸=v船水+v水岸不成立引力規(guī)律牛頓的萬有引力定律認(rèn)為物體間的引力符合“平方反比”規(guī)律愛因斯坦引力理論認(rèn)為物體間的引力不完全符合“平方反比”規(guī)律經(jīng)典力學(xué)相對論、量子力學(xué)聯(lián)系(1)以下兩種情況，相對論與經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別：①物體的速度遠(yuǎn)小于光速c(3×108m/s)時。②普朗克常量(6.63×10-34J·s)可以忽略不計時。(2)相對論和量子力學(xué)都沒有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是相對論、量子力學(xué)的特殊情況【典例示范】(多選)以下說法正確的是 (

)A.經(jīng)典力學(xué)理論普遍適用，大到天體，小到微觀粒子均適用B.經(jīng)典力學(xué)理論的成立具有一定的局限性C.在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動狀態(tài)的改變而改變D.相對論與量子力學(xué)否定了經(jīng)典力學(xué)理論【解析】選B、C。經(jīng)典力學(xué)理論只適用于宏觀、低速運(yùn)動的物體，A錯誤；經(jīng)典力學(xué)只在一定條件下適用，具有一定局限性，B正確；經(jīng)典力學(xué)研究的是低速運(yùn)動問題，物體的質(zhì)量變化很小，可以認(rèn)為不變，C正確；相對論和量子力學(xué)并沒有否定經(jīng)典力學(xué)，認(rèn)為經(jīng)典力學(xué)是在一定條件下的特殊情形，D錯誤?！咎骄坑?xùn)練】1.牛頓定律不適用于下列哪些情況 (

)A.研究原子中電子的運(yùn)動B.研究“神舟十號”飛船的高速發(fā)射C.研究地球繞太陽的運(yùn)動D.研究飛機(jī)從北京飛往紐約的航線【解析】選A。牛頓定律屬于經(jīng)典力學(xué)的研究范疇，適用于宏觀、低速運(yùn)動的物體，低速和高速的標(biāo)準(zhǔn)是相對于光速，可判定牛頓定律適用于B、C、D項(xiàng)中描述的運(yùn)動，而A項(xiàng)不適用。2.(多選)關(guān)于牛頓力學(xué)、相對論和量子力學(xué),下列說法中正確的是 (

)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(yùn)動時,物體的運(yùn)動規(guī)律適用相對論理論,在低速運(yùn)動時,物體的運(yùn)動適用牛頓運(yùn)動定律C.牛頓力學(xué)適用于宏觀物體的運(yùn)動,量子力學(xué)適用于微觀粒子的運(yùn)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】選B、C。首先必須知道,牛頓力學(xué)解決低速宏觀問題,高速問題應(yīng)由相對論理論解決,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(rèn)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(xiàng)A、D錯誤,B、C正確?！狙a(bǔ)償訓(xùn)練】關(guān)于經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)，下列說