2024-2025學(xué)年新教材高中物理第七章萬有引力與宇宙航行5相對論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性學(xué)案新人教版必修2

PAGE13-相對論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性學(xué)問結(jié)構(gòu)導(dǎo)圖核心素養(yǎng)目標(biāo)物理觀念：慣性系的概念，經(jīng)典時(shí)空觀與相對論時(shí)空觀．科學(xué)探究：查閱相對論時(shí)空觀的驗(yàn)證資料，體會(huì)人類對自然界的探究是不斷深化的．科學(xué)思維：經(jīng)典理論與狹義相對論的區(qū)分．科學(xué)看法與責(zé)任：會(huì)利用相對論時(shí)空觀說明與日常生活相關(guān)的時(shí)間和長度的相對性問題學(xué)問點(diǎn)一相對論時(shí)空觀閱讀教材第65～67頁“相對論時(shí)空觀”部分．1．慣性系與非慣性系(1)凡是牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參考系，稱為慣性參考系，簡稱慣性系，相對一個(gè)慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng)的另一個(gè)參考系也是慣性系．慣性系就是沒有加速度的參考系，如地面．(2)牛頓運(yùn)動(dòng)定律不成立的參考系稱為非慣性參考系，如加速中的汽車，這個(gè)汽車作為參考系就是非慣性參考系．2．經(jīng)典相對性原理：表述一：力學(xué)規(guī)律在任何________中都是相同的．表述二：在一個(gè)慣性參考系內(nèi)進(jìn)行的任何力學(xué)試驗(yàn)都不能推斷這個(gè)慣性系是否相對于另一個(gè)慣性系做________運(yùn)動(dòng)．表述三：任何慣性系都是________的．3．狹義相對論的兩個(gè)基本假設(shè)：(1)試驗(yàn)基礎(chǔ)：不論光源與觀測者做怎樣的相對運(yùn)動(dòng)，光速都是________．(2)兩個(gè)基本假設(shè).項(xiàng)目內(nèi)容狹義相對性原理在不同的________參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的光速不變原理真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是________的4.時(shí)間和空間的相對性(1)時(shí)間延緩效應(yīng)假如相對于地面以v運(yùn)動(dòng)的________上的人視察到與其一起運(yùn)動(dòng)的物體完成某個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為Δτ，地面上的人視察到該物體在________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＝________由于1－eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2<1，所以總有Δt>Δτ，此種狀況稱為時(shí)間________．(2)長度收縮效應(yīng)假如與桿________的人測得桿長是l0，沿著桿的方向，以v相對桿運(yùn)動(dòng)的人測得桿長是l，那么兩者之間的關(guān)系是l＝________由于1－eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2<1，所以總有l(wèi)<l0，此種狀況稱為長度________．圖解1：圖解2：小車的加速度a＝0時(shí)，單擺和小球的狀態(tài)符合牛頓運(yùn)動(dòng)定律；小車的加速度a≠0時(shí)，單擺和小球的狀態(tài)不符合牛頓運(yùn)動(dòng)定律．點(diǎn)睛：運(yùn)動(dòng)物體的長度(空間距離)和物理過程的快慢(時(shí)間進(jìn)程)都跟物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)．

學(xué)問點(diǎn)二牛頓力學(xué)的成就與局限性閱讀教材第68頁“牛頓力學(xué)的成就與局限性”部分．1．牛頓力學(xué)的成就(1)從地面上物體的運(yùn)動(dòng)到________的運(yùn)動(dòng)，從攔河筑壩、修建橋梁到設(shè)計(jì)各種機(jī)械，從自行車到汽車、火車、飛機(jī)等________工具的運(yùn)動(dòng)，從投出籃球到放射________、人造地球衛(wèi)星、宇宙飛船……全部這些都聽從牛頓力學(xué)的規(guī)律．(2)牛頓力學(xué)在如此廣袤的領(lǐng)域里與實(shí)際相________，顯示了________的正確性和牛頓力學(xué)的魅力．像一切科學(xué)一樣，牛頓力學(xué)沒有也不會(huì)窮盡一切真理，它也有自己的局限性．它像一切科學(xué)理論一樣，是一部“未完成的交響曲”．2.牛頓力學(xué)的局限性(1)19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，物理學(xué)探討深化到________，發(fā)覺了電子、________、中子等微觀粒子，而且發(fā)覺它們不僅具有粒子性，同時(shí)還具有波動(dòng)性，它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律在許多狀況下不能用________來說明．(2)20世紀(jì)20年頭，________建立了，它能夠很好地描述________運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要作用．3．牛頓力學(xué)與相對論的關(guān)系(1)當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度____________于光速c時(shí)(c＝3×108(2)當(dāng)另一個(gè)重要常數(shù)即普朗克常量h可以忽視不計(jì)時(shí)(h＝6.63×10－34J·s)，________和牛頓力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)分．(3)相對論與量子力學(xué)都沒有________過去的科學(xué)，而只認(rèn)為過去的科學(xué)是自己在肯定條件下的特別情形．【思索辨析】(1)在牛頓力學(xué)中，位移的測量與參考系的運(yùn)動(dòng)狀況無關(guān)．()(2)牛頓運(yùn)動(dòng)定律在物體速度達(dá)到幾千米每秒時(shí)就不再適用了．()(3)真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的．()(4)在相對論時(shí)空觀中，運(yùn)動(dòng)物體的長度跟物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)．()(5)量子力學(xué)不能描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律．()要點(diǎn)一時(shí)間延緩效應(yīng)和長度收縮效應(yīng)時(shí)間延緩效應(yīng)是不是指時(shí)鐘走得慢了？長度收縮效應(yīng)是不是指物體長度變短了？1．兩個(gè)效應(yīng)與物體相對靜止的參考系中視察與物體相對運(yùn)動(dòng)的參考系中視察時(shí)間延緩效應(yīng)兩個(gè)事務(wù)發(fā)生的時(shí)間間隔為Δτ兩事務(wù)發(fā)生的時(shí)間間隔變大Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2))長度收縮效應(yīng)桿的長度為l0若參考系沿桿的方向運(yùn)動(dòng)，視察到的桿的長度減小l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2)2.對“兩個(gè)效應(yīng)”的理解(1)時(shí)間間隔、長度的改變，都是由于物質(zhì)的相對運(yùn)動(dòng)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)并沒有改變．(2)兩個(gè)事務(wù)的時(shí)間間隔和物體的長度，必需與所選取的參考系相聯(lián)系，假如在沒有選取參考系的狀況下探討時(shí)間的長短及空間的尺寸，是沒有任何意義的．3．相對性的四個(gè)方面(1)“同時(shí)”的相對性：“同時(shí)”不是肯定的，而是取決于視察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)．(2)長度的相對性：一條沿自身長度方向運(yùn)動(dòng)的桿，其長度總比桿靜止時(shí)的長度短．(3)時(shí)間間隔的相對性：運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢．(4)相對論時(shí)空觀：空間和時(shí)間與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)．題型一對長度的相對性的理解點(diǎn)撥：時(shí)間延緩和長度收縮．可以通俗地理解為：運(yùn)動(dòng)的鐘比靜止的鐘走得慢，而且運(yùn)動(dòng)速度越快，鐘走得越慢，接近光速時(shí)，鐘就幾乎停止了；在尺子長度方向上運(yùn)動(dòng)的尺子比靜止時(shí)短，這就是所謂的長度收縮效應(yīng)，當(dāng)速度接近光速時(shí)，尺子縮成一個(gè)點(diǎn)．【例1】一艘太空飛船靜止時(shí)的長度為30m，它以0.6c(cA．飛船上的觀測者測得該飛船的長度小于30mB．地球上的觀測者測得該飛船的長度小于30mC．飛船上的觀測者測得地球上發(fā)來的光信號速度小于cD．地球上的觀測者測得飛船上發(fā)來的光信號速度小于c題型二對時(shí)間間隔的相對性的理解【例2】如圖所示，A、B、C是三個(gè)完全相同的時(shí)鐘，A放在地面上，B、C分別放在以速度vB和vC朝同一方向飛行的兩枚火箭上，且vB<vC.地面上的視察者認(rèn)為哪個(gè)時(shí)鐘走得最慢？哪個(gè)時(shí)鐘走得最快？練1假設(shè)有一名考生用90分鐘完成了一場考試，一艘飛船相對此考生以0.5c的速度勻速飛過(cA．小于90分鐘B．等于90分鐘C．大于90分鐘D．等于45分鐘練2(多選)A、B兩架飛機(jī)沿地面上一足球場的長邊方向在其上空高速飛過，且vA>vB，對于在飛機(jī)上人的視察結(jié)果，下列說法正確的是()A．A飛機(jī)上的人視察到足球場的長度比B飛機(jī)上的人視察到的大B．A飛機(jī)上的人視察到足球場的長度比B飛機(jī)上的人視察到的小C．兩飛機(jī)上的人視察到足球場的長度相同D．兩飛機(jī)上的人視察到足球場的寬度相同要點(diǎn)二對牛頓力學(xué)、相對論及量子力學(xué)的相識牛頓力學(xué)、相對論及量子力學(xué)的比較牛頓力學(xué)自然界中宏觀、低速物體的運(yùn)動(dòng)，都聽從牛頓力學(xué)的規(guī)律相對論空間、時(shí)間、質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系；闡述了物體在以接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵循的規(guī)律量子力學(xué)微觀粒子不僅具有粒子性，同時(shí)還具有波動(dòng)性；正確描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律【例3】(多選)2017年6月16日，來自中國的“墨子號”量子衛(wèi)星從太空發(fā)出兩道紅色的光，射向青海德令哈站與千公里外的云南麗江高美古站，首次實(shí)現(xiàn)人類歷史上第一次距離達(dá)“千公里級”的量子密鑰分發(fā)．下列說法正確的是()A．牛頓力學(xué)適用于描述“墨子號”繞地球運(yùn)動(dòng)的規(guī)律B．牛頓力學(xué)適用于描述光子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律C．量子力學(xué)可以描述“墨子號”發(fā)出的“兩道紅光”的運(yùn)動(dòng)規(guī)律D．量子力學(xué)的發(fā)覺說明牛頓力學(xué)已失去了好用價(jià)值練3關(guān)于牛頓力學(xué)的局限性，下列說法正確的是()A．牛頓力學(xué)適用于宏觀低速運(yùn)動(dòng)的物體B．由于牛頓力學(xué)局限性，所以一般力學(xué)問題都用相對論來解決C．火車提速后，有關(guān)速度問題不能用牛頓力學(xué)來處理D．牛頓力學(xué)只適用于像地球和太陽那樣大的宏觀物體練4(多選)關(guān)于牛頓力學(xué)、相對論與量子力學(xué)的說法正確的是()A．當(dāng)物體的速度接近光速時(shí)，牛頓力學(xué)就不適用了B．相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，使牛頓力學(xué)失去了意義C．量子力學(xué)能夠描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性D．萬有引力定律也適用于強(qiáng)引力場思索與探討(教材P67)已知μ子低速運(yùn)動(dòng)時(shí)的平均壽命是3.0μs.當(dāng)μ子以0.99c提示：依據(jù)Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2))可知，若選擇μ子為參考系，此時(shí)μ子的平均壽命是3.0μs.對于地面上的觀測者來說Δt＝eq\f(3,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(0.99c,c)))2))≈21μs.1．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．粒子接近光速的運(yùn)動(dòng)C．人造衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)D．和諧號從深圳向廣州疾馳2．如圖所示，強(qiáng)強(qiáng)乘速度為0.9c(c為真空中的光速)的宇宙飛船追逐正前方的壯壯，壯壯的飛行速度為0.5A．0.4cB．C．0.9cD．3．某宇航員要到離地球5光年的星球上去旅行．假如希望把路程縮短為3光年，則他所乘飛船相對地球的速度為()A．0.5cB．0.6C0.8cD．4.(多選)如圖所示，你站在水平木桿AB的中心旁邊，并且看到木桿落在地面上時(shí)是兩端同時(shí)著地的，所以，你認(rèn)為該木桿是平著落到了地面上；若此時(shí)飛飛小姐正以接近光速的速度從你前面拂過，她看到B端比A端先落地，因而她認(rèn)為木桿是向右傾斜著落地的．她的看法是()A．正確的B．錯(cuò)誤的C．她應(yīng)感覺到木桿在朝她運(yùn)動(dòng)D．她應(yīng)感覺到木桿在遠(yuǎn)離她運(yùn)動(dòng)5．(多選)甲乘客乘坐在接近光速的火車上，乙視察者站在鐵軌旁邊的地面上，甲、乙兩人手中各持一把沿火車前進(jìn)方向放置的米尺．則下列說法正確的是()A．甲看到乙手中尺子長度比甲看到自己手中的尺子長度要長B．甲看到乙手中尺子長度比甲看到自己手中的尺子長度要短C．乙看到甲手中尺子長度比乙看到自己手中的尺子長度要長D．乙看到甲手中尺子長度比乙看到自己手中的尺子長度要短6．地面上長100km的鐵路上空有一火箭沿鐵路方向以30km/s的速度拂過，則火箭上的人看到鐵路的長度應(yīng)當(dāng)為多少？假如火箭的速度達(dá)到0.6ceq\x(溫馨提示：請完成單元素養(yǎng)評價(jià)三)5．相對論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性課前自主學(xué)習(xí)學(xué)問點(diǎn)一2．慣性系勻速直線平權(quán)3．(1)一樣的(2)慣性相同4．(1)慣性參考系同一地點(diǎn)eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2))延緩效應(yīng)(2)相對靜止l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2)收縮效應(yīng)學(xué)問點(diǎn)二1．(1)天體現(xiàn)代交通導(dǎo)彈(2)符合牛頓運(yùn)動(dòng)定律2．(1)微觀世界質(zhì)子牛頓力學(xué)(2)量子力學(xué)微觀粒子3．(1)遠(yuǎn)小沒有(2)量子力學(xué)(3)否定思索辨析答案：(1)√(2)×(3)√(4)√(5)×互動(dòng)課堂·合作探究要點(diǎn)一提示：不是．時(shí)間延緩效應(yīng)和長度收縮效應(yīng)說明在不同慣性系觀測時(shí)，測得的結(jié)果不同，是相對論時(shí)空觀的體現(xiàn)，不是時(shí)鐘真的變慢了或物體長度真的變短了．【例1】【解析】飛船上的視察者相對飛船靜止，則他測得的是飛船的靜止長度，即為30m，A項(xiàng)錯(cuò)誤；地球上的觀測者看到飛船是運(yùn)動(dòng)的，依據(jù)長度的相對性可知他看到飛船長度比靜止時(shí)的長度小，B項(xiàng)正確；依據(jù)光速不變原理得飛船上的觀測者和地球上的觀測者觀測到的光信號速度均為c，C、D項(xiàng)錯(cuò)誤．【答案】B【例2】【解析】地面上的視察者認(rèn)為C時(shí)鐘走得最慢，因?yàn)樗鄬τ谝暡煺叩乃俣茸畲螅罁?jù)公式Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2))可知，相對于視察者的速度v越大，鐘走得越慢，所以C走得最慢．地面上的A時(shí)鐘相對于視察者的速度為零，A走得最快．【答案】C時(shí)鐘走得最慢，A時(shí)鐘走得最快練1解析：依據(jù)Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2))可得Δt＝eq\f(90,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(0.5c,c)))2))(分鐘)>90(分鐘)，C正確．答案：C練2解析：由l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2)(其中l(wèi)0是相對足球場靜止時(shí)測得的長度)，可以看出，速度越大，“動(dòng)尺變短”的效應(yīng)越明顯，選項(xiàng)B正確；但是足球場的短邊與飛機(jī)速度方向垂直，所以兩飛機(jī)上的人視察到足球場的寬度相同．答案：BD要點(diǎn)二【例3】【解析】牛頓力學(xué)可以用來描述物體的宏觀低速運(yùn)動(dòng)，故牛頓力學(xué)適用于描述“墨子號”繞地球運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，故A正確；對于運(yùn)動(dòng)速度接近光速的物體的運(yùn)動(dòng)，不適合用牛頓力學(xué)來描述，故B錯(cuò)誤；量子力學(xué)可以描述“墨子號”發(fā)出的“兩道紅光”的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因?yàn)榧t光運(yùn)動(dòng)速度為光速，所以需考慮相對論效應(yīng)，運(yùn)用量子力學(xué)描述，故C正確；量子力學(xué)和牛頓力學(xué)適用范圍不同，量子力學(xué)適用于高速運(yùn)動(dòng)，在宏觀低速運(yùn)動(dòng)中，牛頓力學(xué)仍舊適用，不能說牛頓力學(xué)已經(jīng)失去了好用價(jià)值，故D錯(cuò)誤．【答案】AC練3解析：牛頓運(yùn)動(dòng)定律屬于牛頓力學(xué)的探討范疇，適用于宏觀低速運(yùn)動(dòng)的物體，并留意到低速和高速的標(biāo)準(zhǔn)是相對于光速而言的，可判定牛頓運(yùn)動(dòng)定律適用于B、C、D中描述的運(yùn)動(dòng)，而A中狀況不適用．答案：A練4解析：牛頓力學(xué)只適用于低速宏觀的物體，故A正確；相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，并沒有否定牛頓力學(xué)，只是說牛頓力學(xué)有肯定的適用范圍，故B錯(cuò)誤；量子力學(xué)描述了微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性，故C正確；萬有引力定律只適用于較弱的引力場，而對于如白矮星、中子星的強(qiáng)引力場是不適用的，故D錯(cuò)誤．答案：AC隨堂演練·達(dá)標(biāo)檢測1．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