新教材人教版高中物理必修第二冊 7.5 相對論時空觀與牛頓力學的局限性 導學案

1、精品文檔 精心整理精品文檔 可編輯的精品文檔7.5 相對論時空觀與牛頓力學的局限性學案【學習目標】1感受牛頓力學在高速世界與事實的矛盾，知道牛頓力學只適用于低速、宏觀物體的運動。知道相對論、量子論有助于人類認識高速、微觀領域。2知道愛因斯坦狹義相對論的基本假設，知道長度相對性和時間間隔相對性的表達式。3了解宇宙起源的大爆炸理論，知道科學真理是相對的，未知世界必將在人類不懈的探索中被揭開更多的謎底?！菊n堂合作探究】輪船相對河岸的速度是多少？設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，該星球上的觀察者測量到的激光的速度是多少？一、相對論時空觀1887

2、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系（伽利略變換）不符！絕對時空觀生活經(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。1.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

3、學家，仍然立足在牛頓力學時空觀的基礎上，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。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，在實驗事實的基礎上，大膽提出，能夠更好地解釋實驗現(xiàn)象的假設。物體的質(zhì)量隨速度的增大而增大隨著物體速度的加快，時間會變慢。將一個鐘表留在地面上，而攜帶另一個以很快速度移動，隨后進行比較，地上的鐘表總比快速移動的快。物體以接近光速運行時所表現(xiàn)出的長度會比它靜止時更短。愛因斯坦指出，任何物體以光速運動時，其長度將會縮短為零。、由上面兩個式子可以知道，運動物體的長度（空

4、間距離）和物理過程的快慢（時間進程）都跟物體運動狀態(tài)有關。這個結論具有革命性的意義，它反映的時空觀稱作相對論時空觀。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。實驗結果與理論預言符合的很好。這是

5、相對論的第一次宏觀驗證。牛頓力學的成就與局限性1.牛頓力學的成就牛頓力學的誕生開創(chuàng)了人類科技文明的新紀元，為工業(yè)革命和現(xiàn)代生活奠定了基礎。從地面上物體的運動到天體運動，從攔河筑壩、修建橋梁到設計各種機械，從普通的交通工具到發(fā)射人造衛(wèi)星和宇宙飛船.所有這些都符合牛頓力學的規(guī)律。牛頓力學在如此廣泛的領域里與事實相符合，顯示出牛頓力學的正確性和無限魅力。牛頓主要貢獻經(jīng)典力學的基礎是牛頓運動定律，萬有引力定律更確立了牛頓的地位，牛頓運動定律和萬有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊領域，經(jīng)受實踐檢驗。楊振寧曾贊頌到：“如果一定要舉出某個人、某一天作為近代科學誕生的標志，我選牛頓自然哲學的數(shù)學原理在168

6、7年出版的那一天。”2.牛頓力學的成就(1) 實現(xiàn)了人類對自然界認識的第一次理論大綜合。(2) 確定了自然科學應有的基本特征。(3) 將“實驗和數(shù)學”相結合的方法推廣到物理學的各個分支，形成了完整的經(jīng)典力學體系。19世紀末-20世紀初，深入到微觀領域，發(fā)現(xiàn)電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子不僅具有粒子性，同時還具有波動性，很多情況下經(jīng)典力學說明不了。和所有的真理一樣，牛頓力學也具有局限性。3.牛頓力學的局限性牛頓力學只適用于低速運動，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，不適用于強引力情況。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

7、），較宏觀世界，有較大的不同,牛頓力學也不適用。【課堂檢測】1、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(zhì)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2.關于狹義相對論，下列說法不正確的是()A狹義相對論認為在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的B狹義相對論認為在一切慣性系中，光在真空中的速度都等于c，與光源的運動無關C狹義相對論只涉及無加速度運動的慣性系D狹義相對論任何情況下都適用3.有兩個慣性參考系1和2，彼此相對做勻速直線運動，下列敘述正確的是()A在參考系1看來，2中

8、的所有物理過程都變快了；在參考系2看來，1中的所有物理過程都變慢了B在參考系1看來，2中的所有物理過程都變快了；在參考系2看來，1中的所有物理過程也變快了C在參考系1看來，2中的所有物理過程都變慢了；在參考系2看來，1中的所有物理過程都變快了D在參考系1看來，2中的所有物理過程都變慢了；在參考系2看來，1中的所有物理過程也變慢了【達標訓練】一、單選題1.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. 以倍光速運行的電子束2.2017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LIG

9、O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)失去了它的應用價值3.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、向同一方向飛行的兩枚火箭上，且，則地面的觀察者認為走得最慢的鐘為 A. aB. bC. cD. 無法確定4.經(jīng)典力學規(guī)律不適用于下列運動的是A. 子彈的飛行B. 飛船繞地球的運行C

10、. 列車的運行D. 粒子接近光速的運動5.下列說法符合史實的是A. 開普勒在牛頓定律的基礎上，總結出了行星運動的規(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6.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7.下列說法中正確的是A. 牛頓運動定律就是牛頓力學B. 牛頓力學的基礎是牛頓運動定律

11、C. 牛頓運動定律可以解決自然界中的所有問題D. 牛頓力學可以解決自然界中的所有問題8.在一個高速旋轉的巨大轉盤上放置三個完全相同的時鐘，a放在轉軸處，b放在中間，c放在邊緣處，如下圖所示對于地面上的觀察者，根據(jù)相對論認為三個時鐘的快慢情況，下列說法正確的是A. a鐘最快，b、c鐘一樣慢B. a鐘最慢，b、c鐘一樣快C. a鐘最快，c鐘最慢D. a鐘最慢，c鐘最快二、多選題9.多選年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A. 經(jīng)典力學適用于“墨子號”繞地

12、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)失去了應用價值三、簡答題（本大題共1小題，共3.0分）一列速度接近光速的火車靜止時的長度比隧道的長度大經(jīng)過隧道時，站在地面上的人還看到兩個閃電同時擊中隧道的兩端，但由于“動尺變短”效應，站在隧道旁邊的人看到火車完全進入了隧道，剛好不會被閃電擊中。但是，站在車上的人看到的卻是隧道變得更短，不可能完全遮住整列火車，那么他看到的閃電會不會擊中火車呢？參考答案【課堂檢測】D 2.B 3.D【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

13、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，故對以倍光速運行的電子束不適用；故選D。2.A【解析】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)，就否定了牛頓力學取得了巨大的成就，故B錯誤；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用價值，故CD錯誤。故選A。3.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

14、觀察者的速度最大，根據(jù)公式可知，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，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。4.D【解析】解：A、B、C、經(jīng)典力學的適用范圍是宏觀、低速情形，子彈的飛行、飛船繞地球的運行、列車的運動，經(jīng)典力學能適用。故ABC錯誤；D、粒子接近光速的運動，對于微觀的情形經(jīng)典力學不適用。故D正確。故選：D。經(jīng)典力學的適用范圍是宏觀、低速情形，高速情形要用相對論，微觀粒子運動要用量子力學電子及電子以下中子，質(zhì)子，原子，離子，分子是實物粒子都可以認為是微觀粒子；微觀粒子不適用于經(jīng)典力學5.B【解析

15、】A.開普勒在他的導師第谷天文觀測數(shù)據(jù)的基礎上，總結出了行星運動的規(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上推導出萬有引力定律，故A錯誤；B.卡文迪許第一次在實驗室里測出了萬有引力常量，故B正確；C.牛頓運動定律不適用于微觀高速物體，故C錯誤；D.“和諧號”動車組高速行駛時，其速度遠遠小于光速，則不會出現(xiàn)沿車廂長度明顯變短的現(xiàn)象，故D錯誤。故選B。6.A【解析】A.牛頓定律是經(jīng)典物理學的基礎，僅適用于低速、宏觀領域，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

16、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。7.B【解析】牛頓力學并不等同于牛頓運動定律，牛頓運動定律只是牛頓力學的基礎，A錯誤，B正確；牛頓力學并非是萬能的，也有其適用范圍，它并不能解決自然界中的所有問題，CD錯誤。故選B。8.C【解析】根據(jù)公式，地面上的觀察者認為c鐘走得最慢，因為它相對觀察者的速度最大；b鐘比c鐘快一些，而a鐘最快，因為它的速度最小，故C正確，ABD錯誤9.AC【解析】經(jīng)典力學適用于宏觀物體的運動，而不適用微觀粒子的運動，故A正確，B錯誤；量子力學使用描述微觀粒子的運動，故C正確，D錯誤。故選AC。10.不會，因為站在隧道旁的人看到兩個閃電是同時發(fā)生的，但站在火車里面的人看到的兩個閃電卻不是同時發(fā)生的，他看到