高中物理必修二《75相對論時空觀與牛頓力學的局限性》學案

1、7.5 相對論時空觀與牛頓力學的局限性學案【學習目標】1.了解相對論時空觀，知道時間延緩效應(yīng)和長度收縮效應(yīng).2.認識牛頓力學的成就、適用范圍及局限性.3.了解科學理論的相對性，體會科學理論是不斷發(fā)展和完善的【課堂合作探究】思考：若河中的水以相對于岸的速度 v水岸 流動，河中的船以相對于水的速度 v船水 順流而下，則船相對于岸的速度v船岸如何表示？設(shè)想：設(shè)想人類可以利用飛船以 0.2c 的速度進行星際航行。若飛船向正前方的某一星球發(fā)射一束激光，根據(jù)v光船=v光+v船該星球上的觀察者測量到的激光的速度是否為1.2c，事實是這樣嗎？1.2倍的光速與我們中學里學到的，真空中的光速是宇宙中最快的速度兩者

2、不相符。1887年，美國科學家邁克爾遜和莫雷通過實驗證明了，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，不同的參考系之間的速度變換關(guān)系（伽利略變換）不符！一、相對論時空觀描述一個物體的運動必須選擇一個參考系，然后研究這一物體相對于參考系是如何運動的。兩個小球一起做自由落體運動，均受到重力的作用，如果以紅球為參考系，則綠球是靜止的。而綠球受到的合外力不為零。所以綠球相對于紅球這個參考系而言，并不符合牛頓運動定律。慣性參考系牛頓運動定律成立的參考系非慣性參考系牛頓運動定律不成立的參考系所有相對于慣性系做勻速直線運動的參考系都是慣性系，而對于慣性系做變速運動的參考系為非慣性系。1.絕對

3、時空觀生活經(jīng)驗讓我們體會到，時間像一條看不見的“長河”，均勻地自行流逝著，空間像一個廣闊無邊的房間，它們都不影響物體及其運動。也就是說，時間與空間都是獨立于物體及其運動而存在的。這種絕對時空觀，也叫牛頓力學時空觀。2.牛頓力學與電磁理論的沖突十九世紀，英國科學家麥克斯韋，提出了電磁場理論，預(yù)言了電磁波的存在，并從理論上證明了，電磁波傳播的速度等于光速。人們不禁要問：這個速度是相對哪個參考系而言的呢？但在邁克爾遜和莫雷實驗事實的面前，許多物理學家，仍然立足在牛頓力學時空觀的基礎(chǔ)上，想通過一些理論上的修補工作，解釋實驗現(xiàn)象。但是都沒有成功，這導致牛頓力學與電磁理論的沖突。你覺得該如何解釋這個現(xiàn)象呢

4、？以愛因斯坦和龐加萊為代表的另一批物理學家，堅決主張，徹底放棄某些與實驗事實不相符的觀念，如絕對時間的觀念，在實驗事實的基礎(chǔ)上，大膽提出，能夠更好地解釋實驗現(xiàn)象的假設(shè)。3.相對論的兩個基本假設(shè)（1）相對性原理：光速不變原理：相對論時空觀的內(nèi)容根據(jù)愛因斯坦假設(shè)：真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的，兩個事件在一個參考系中是同時的，在另一個參考系中不一定也是同時的。例如：假設(shè)一列火車沿平直軌道飛快地勻速行駛。車廂中央的光源發(fā)出了一個閃光，閃光照到了車廂的前壁和后壁。（1）車上的觀察者以車廂為參考系，閃光到達前后兩壁的時間相同嗎？（2）車下的觀察者來說，以地面為參考系，閃光到達前后兩壁的時

5、間相同嗎？5、時間延緩效應(yīng)如果相當于地面以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，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t，則6、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 相對桿運動的人測得桿長是 l，那么兩者之間的關(guān)系是例題：有一種基本粒子叫子，當它低速運動時，它的平均壽命是3.0s，當子以0.99c的速度飛行時，若選子為參考系，子的平均壽命是多少？若以地面為參考系，子的平均壽命是多少？事實上，到達地面的子，大多產(chǎn)生于距地面8km的高空，科學家們根據(jù)經(jīng)典理論，可以計算出每秒到達地面的子個數(shù)。但這個理論數(shù)值小于

6、實際觀察到子個數(shù)。這是為什么呢？相對論時空的驗證實驗將銫原子鐘放在飛機上，沿赤道向東和向西繞地球一周，回到原處后，分別比靜止在地面上的鐘慢59納秒和快273納秒。實驗結(jié)果與理論預(yù)言符合的很好。這是相對論的第一次宏觀驗證。將銫原子鐘放在飛機上，沿赤道向東和向西繞地球一周，回到原處后，分別比靜止在地面上的鐘慢59納秒和快273納秒。實驗結(jié)果與理論預(yù)言符合的很好。這是相對論的第一次宏觀驗證。牛頓力學的成就與局限性1.牛頓力學的成就(1)把天體運動與地面上物體的運動統(tǒng)一起來。(2)經(jīng)典力學和以經(jīng)典力學為基礎(chǔ)發(fā)展起來的天體力學、材料力學和結(jié)構(gòu)力學等。(3)力學和熱力學的發(fā)展及其與生產(chǎn)的結(jié)合引發(fā)了第一次工

7、業(yè)革命。(4)由牛頓運動定律導出的動量守恒定律、機械能守恒定律等是航空航天技術(shù)的理論基礎(chǔ)。2.牛頓力學的局限性(1)經(jīng)典力學是從日常機械運動中總結(jié)出來的，超出這個范圍，經(jīng)典力學常常就不適用了。(2)絕對時空觀：牛頓認為，時間、空間與物質(zhì)及其運動完全無關(guān)，時間與空間也完全無關(guān)。在微觀世界中（尺度在10-10m以下），由于物質(zhì)的存在和運動形式（波粒二象性），較宏觀世界，有較大的不同,牛頓力學也不適用。3.正確理解絕對時空觀(1)時間和空間是分離的，時間尺度和空間尺度與物質(zhì)運動無關(guān)，都是絕對的。經(jīng)典力學的時空觀認為，時間就其本質(zhì)而言是永遠均勻地流逝，與任何其他外界事物無關(guān)，空間就其本質(zhì)而言與外界任何

8、事物無關(guān)，它從不運動，并且永遠不變。4.由絕對時空觀得到的結(jié)論同時的絕對性在一個慣性系中的觀察者在某一時刻觀測到兩個事件，對另一個做勻速直線運動的慣性系中的觀察者來說是同時發(fā)生的，即同時性與觀察者的運動狀態(tài)無關(guān)。時間間隔的絕對性任何事件(或物體的運動)所經(jīng)歷的時間，在不同的參考系中測量都是相同的，而與參考系(或觀察者)的運動無關(guān)。空間距離的絕對性如果各個慣性系中用來測量長度的標準相同，那么空間兩點的距離也就有絕對不變的量值，而與慣性系的選擇(或觀察者的運動狀態(tài))無關(guān)。5.經(jīng)典力學有它的適用范圍只適用于低速運動，不適用于高速運動；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界；只適用于弱引力情況，不適用于強

9、引力情況。低速和高速的區(qū)別：(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?！菊n堂檢測】1、下列運動中不能用經(jīng)典力學規(guī)律描述的是（）A子彈的飛行B粒子接近光速的運動C人造衛(wèi)星繞地球運動D和諧號從南通向上海飛馳2、一艘太空飛船靜止時的長度為30m，他以0.6c（c為光速）的速度沿長度方向飛行經(jīng)過地球，下列說法正確的是（）A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

10、測者測得飛船上發(fā)來的光信號速度小于c3、經(jīng)典力學有一定的局限性。當物體以下列速度運動時，經(jīng)典力學不再適用的是（） 【達標訓練】經(jīng)典力學不能適用于下列哪些運動的研究( )A. 火箭的發(fā)射B. 宇宙飛船繞地球的運動C. “勇氣號”宇宙探測器的運動D. 以99%倍光速運行的電子束美國科學家2016年2月11日宣布，他們探測到引力波的存在引力波是實驗驗證愛因斯坦相對論的最后一塊缺失的“拼圖”，相對論在一定范圍內(nèi)彌補了經(jīng)典力學的局限性關(guān)于經(jīng)典力學，下列說法正確的是( )A. 經(jīng)典力學完全適用于宏觀低速運動B. 經(jīng)典力學取得了巨大成就，是普遍適用的C. 隨著物理學的發(fā)展，經(jīng)典力學將逐漸成為過時的理論D.

11、由于相對論、量子論的提出，經(jīng)典力學已經(jīng)失去了它的應(yīng)用價值經(jīng)典力學只適用于低速運動，不適用于高速運動，這里的“高速”是指()A. 聲音在空氣中的傳播速度B. 第一宇宙速度C. 高鐵列車允許行駛的最大速度D. 接近真空中光的傳播速度2017年10月3日，瑞典皇家科學院將2017年諾貝爾物理學獎授予了三位美國科學家，以表彰他們對LIGO探測裝置的決定性貢獻引力波是愛因斯坦相對論的最后一塊缺失的“拼圖”，相對論在一定范圍內(nèi)彌補了牛頓力學的局限性關(guān)于牛頓力學，下列說法正確的是()A. 牛頓力學完全適用于宏觀低速運動B. 牛頓力學取得了巨大成就，是普遍適用的C. 隨著物理學的發(fā)展，牛頓力學將逐漸成為過時的

12、理論D. 由于相對論、量子論的提出，牛頓力學已經(jīng)失去了它的應(yīng)用價值下列說法中不正確的是()A. 桿的長度不會因為觀察者是否與桿做相對運動而不同，這是經(jīng)典物理學家的觀點B. 由靜止的人來測，沿自身長度方向運動的桿的長度總比桿靜止時的長度小C. 桿靜止時的長度為l0，不管桿如何運動，桿的長度均小于l0D. 如果兩根平行的桿在沿自己的長度方向上做相對運動，與它們分別相對靜止的兩位觀察者都會認為對方的桿縮短了如下圖所示，a、b、c為三個完全相同的時鐘，a放在水平地面上，b、c分別放在以速度b、c向同一方向飛行的兩枚火箭上，且bc，則地面的觀察者認為走得最慢的鐘為( )A. aB. bC. cD. 無法

13、確定下列說法正確的是()A. 牛頓定律適合于解決宏觀、低速的物體運動問題B. 在真空中相對于不同的慣性參考系光速是不同的C. 在高速運動的列車中的鐘表比靜止在地面上的鐘表走的快D. 在地面觀察高速行進的列車時，測其長度會比它靜止時的長度大下列說法符合史實的是A. 開普勒在牛頓定律的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了行星運動的規(guī)律B. 卡文迪許第一次在實驗室里測出了萬有引力常量C. 牛頓建立的經(jīng)典力學可以解決自然界中所有的問題D. “和諧號”動車組高速行駛時，在地面上測得的其車廂長度明顯變短下列運動中不能用經(jīng)典力學規(guī)律描述的是()A. 子彈的飛行B. 粒子接近光速的運動C. 人造衛(wèi)星繞地球運動D. 和諧號從深圳向

14、廣州飛馳(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里外的云南麗江高美古站，首次實現(xiàn)了人類歷史上第一次距離達“千公里級”的量子密鑰分發(fā)下列說法正確的是()經(jīng)典力學適用于“墨子號”繞地球運動的規(guī)律B. 經(jīng)典力學適用于光子的運動規(guī)律C. 量子力學可以描述“墨子號”發(fā)出兩道紅光的運動規(guī)律D. 量子力學的發(fā)現(xiàn)說明經(jīng)典力學已經(jīng)失去了應(yīng)用價值參考答案【課堂檢測】BBC【達標訓練】1.D【解析】火箭的發(fā)射、宇宙飛船繞地球的運動、宇宙探測器的運動都屬低速，經(jīng)典力學能適用。對于高速微觀的情形經(jīng)典力學不適用，故對以99%倍光速運行的電子束不適用；故選D。2.

15、A【解析】A、經(jīng)典力學完全適用于宏觀低速運動的物體，故A正確；B、經(jīng)典力學取得了巨大的成就，但它也具有一定的局限性，并不是普遍適用的，故B錯誤C、相對論與量子力學都沒有否定過去的科學，而只認為過去的科學是自己在一定條件下的特殊情形；故CD錯誤；故選A。3.D【解析】經(jīng)典力學只適用于低速運動，不適用于高速運動，這里的：“高速”應(yīng)該是指接近真空中光的傳播速度，故選D。4.A【解析】A 牛頓力學完全適用于宏觀低速運動的物體，故A正確；B.牛頓力學取得了巨大的成就，但它也具有一定的局限性，并不是普遍適用的，在微觀高速情況下，要用量子力學和相對論來解釋，但是并不會因為相對論和量子力學的出現(xiàn)，就否定了牛頓

16、力學取得了巨大的成就，故B錯誤；CD.在微觀高速情況下，要用量子力學和相對論來解釋，但是并不會因為相對論和量子力學的出現(xiàn)，就否定了牛頓力學，牛頓力學在其適用范圍內(nèi)仍然是正確的，故不會過時也不會失去應(yīng)用價值，故CD錯誤。故選A。5.C【解析】A.經(jīng)典物理學家的觀點認為，一根桿的長度不會因為觀察者是否與桿做相對運動而不同，故A正確；B.根據(jù)l=l01v2c2知沿自身長度方向運動的桿其長度總比桿靜止時的長度小，故B正確；C.一根桿的長度靜止時為l0，當桿運動的方向與桿垂直時，桿的長度不發(fā)生變化，故C錯誤；D.根據(jù)相對論時空觀的觀點，兩根平行的桿在沿自己的長度方向上做相對運動，與它們一起運動的兩位觀察

17、者都會認為對方的桿縮短了，故D正確；本題選擇不正確的，故選：C。6.C【解析】如題圖所示，地面上的觀察者認為C鐘走得最慢，因為它相對于觀察者的速度最大，根據(jù)公式t=t01vc2可知，相對于觀察者的速度v越大，其上的時間進程越慢，所以c走的最慢。地面上的鐘a的速度v=0，它所記錄的兩事件的時間間隔最大，即地面上的鐘走得最快。故C正確，ABD錯誤。故選C。7.A【解析】A.牛頓定律是經(jīng)典物理學的基礎(chǔ)，僅適用于低速、宏觀領(lǐng)域，故A正確；B.根據(jù)狹義相對論可知，在所有的慣性系中，光在真空中的傳播速率具有相同的值c，這叫光速不變原理，故B錯誤；C.根據(jù)狹義相對論的鐘慢效應(yīng)可知，在高速運動的列車中的鐘表比靜止在地面上的鐘表走的慢，故C錯誤；D.根據(jù)狹義相對論的尺縮效應(yīng)可知，在地面觀察高速行進的列車時，測其長度會比它靜止時的長度小，故D錯誤。故選A。8.B【解析】A.開普勒在他的導師第谷天文觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了行星運動的規(guī)律，但并未找出了行星按照這些規(guī)律運動的原因；牛頓在開普勒行星運動定律的基礎(chǔ)上