專題7-5-相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性(講)(解析版)

專題7.5相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性（講）講教材本節(jié)課所采用的教材是人教版高中物理必修第二冊第七章第5節(jié)的內(nèi)容。本節(jié)內(nèi)容是學(xué)習(xí)完經(jīng)典力學(xué)以后所做的介紹性質(zhì)內(nèi)容，它可以拓展學(xué)生的知識面、展示科學(xué)探究的無限可能，建立科學(xué)思想、科學(xué)的思維方法，培養(yǎng)科學(xué)精神，在情感、態(tài)度與價值觀方面發(fā)揮應(yīng)有的教育功能。本節(jié)教材先介紹相對論時空觀，并給出了時間延緩效應(yīng)，長度收縮效應(yīng)。然后講解了牛頓力學(xué)的成就與局限性，讓學(xué)生體會任何學(xué)科都有局限性，并不是牛頓力學(xué)過時了，要理解各自成立的條件。講核心素養(yǎng)物理觀念：了解相對論-量子論的建立對人類深入認(rèn)識客觀世界的作用，知道物理學(xué)改變?nèi)藗兪澜缬^的作用。科學(xué)思維：經(jīng)歷科學(xué)家建立相對論和量子論的思維探索過程，認(rèn)識科學(xué)思維的意義。科學(xué)探究：通過閱讀課文體會一切科學(xué)都有自己的局限性，新的理論會不斷完善和補充舊的理論，人類對科學(xué)的認(rèn)識是無止境的?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過對牛頓力學(xué)適用范圍的討論，使學(xué)生知道物理中的結(jié)論和規(guī)律一般都有其適用范圍，認(rèn)識知識的變化性和無窮性，培養(yǎng)獻身于科學(xué)的時代精神。講圖片思維導(dǎo)圖講考點和題型【考點一】相對論時空觀1．19世紀(jì)，英國物理學(xué)家麥克斯韋根據(jù)電磁場理論預(yù)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．3．愛因斯坦假設(shè)(1)在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的．(2)真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的．4．時間和空間的相對性(1)時間延緩效應(yīng)如果相對于地面以速度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(guān)系是Δt＝eq\f(Δτ,1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2)).由于1－eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2)<1，所以總有Δt>Δτ，此種情況稱為時間延緩效應(yīng)．(2)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l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2)).由于1－eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2<1，所以總有l(wèi)<l0，此種情況稱為長度收縮效應(yīng)．5．相對論時空觀Δt＝eq\f(Δτ,1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2))和l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2))表明運動物體的長度(空間距離)和物理過程的快慢(時間進程)都跟物體的運動狀態(tài)有關(guān)．它所反映的時空觀稱作相對論時空觀．【例1】下列說法中正確的是（）A．伽利略發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，并測得了引力常量B．當(dāng)r趨近于零時，兩個物體間的萬有引力趨近于無窮大C．處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，其內(nèi)部的電場強度不為零D．相對論時空觀認(rèn)為在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律相同【答案】D【解析】A．牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，卡文迪許測出了引力常量G，故A錯誤；B．當(dāng)r趨近于零時，物體不能看成質(zhì)點，不再成立，所以不能得到萬有引力趨近于無窮大的結(jié)論，故B錯誤；C．處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，其內(nèi)部的電場強度處處為零，故C錯誤；D．相對論時空觀認(rèn)為在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律相同，故D正確。故選D?！咀兪接?xùn)練1】如下圖所示，慣性系S中有一邊長為l的立方體，從相對S系沿x方向以接近光速勻速飛行的飛行器上觀察該立方體的形狀是（）A．B．C． D．【答案】D【解析】根據(jù)相對論效應(yīng)可知，沿x軸方向正方形邊長縮短，沿y軸方向正方形邊長不變。故選D?！究键c二】牛頓力學(xué)的成就與局限1．牛頓力學(xué)的局限性電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，它們不僅具有粒子性，同時還具有波動性，它們的運動規(guī)律在很多情況下不能用牛頓力學(xué)來證明．2．牛頓力學(xué)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．3．相對論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的聯(lián)系當(dāng)物體的運動速度遠小于光速c時(c＝3×108m/s)，相對論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別；當(dāng)另一個重要常數(shù)即普朗克常量h可以忽略不計時(h＝6.63×10－34J·s)，量子力學(xué)和牛頓力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別．相對論與量子力學(xué)都沒有否定過去的科學(xué)，而只認(rèn)為過去的科學(xué)是自己在一定條件下的特殊情形．【例2】下列說法正確的是（）A．經(jīng)典力學(xué)能夠說明微觀粒子的規(guī)律性B．對于宏觀物體的高速運動問題，經(jīng)典力學(xué)仍適用C．相對論與量子力學(xué)的出現(xiàn)，說明經(jīng)典力學(xué)已失去意義D．經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀物體的低速運動問題，不適用于高速運動的物體【答案】D【解析】ABD．經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀、低速，不適用于微觀、高速，AB錯誤，D正確；C．相對論和量子力學(xué)并沒有否定經(jīng)典力學(xué)，C錯誤。故選D?！咀兪接?xùn)練2】以下說法不正確的是（）A．開普勒通過研究第谷的行星觀察記錄，最終提出行星繞太陽運動的軌道都是橢圓B．海王星的發(fā)現(xiàn)驗證了萬有引力定律的正確性，顯示了理論對實踐的巨大指導(dǎo)作用C．絕對時空觀認(rèn)為空間和時間是獨立于物體及其運動而存在的D．當(dāng)物體的運動速度遠小于光速時，相對論和牛頓力學(xué)的結(jié)論仍有很大的區(qū)別【答案】D【解析】A．開普勒通過研究第谷的行星觀察記錄，最終提出行星繞太陽運動三大定律，其中第一定律指明行星的軌道是橢圓，A正確，不符合題意；B．海王星的發(fā)現(xiàn)驗證了萬有引力定律的正確性，顯示了理論對實踐的巨大指導(dǎo)作用，B正確，不符合題意；C．絕對時空觀認(rèn)為空間和時間是獨立于物體及其運動而存在的，相對時空觀認(rèn)為空間、時間、質(zhì)量三者是相互聯(lián)系的，不是彼此孤立存在的，C正確，不符合題意；D．當(dāng)物體的運動速度遠小于光速時，相對論的結(jié)論和牛頓力學(xué)的結(jié)論就相同了，在接近光速時，牛頓力學(xué)不再使用，只能用相對論解釋，D錯誤，符合題意；故選D。講課堂練習(xí)1．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．在物體高速運動時，物體的運動規(guī)律適用于相對論，在低速運動時，物體的運動規(guī)律適用于牛頓運動定律C．牛頓力學(xué)適用于宏觀物體的運動，也適用于微觀粒子的運動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【答案】B【解析】A．經(jīng)典力學(xué)是狹義相對論在低速（）條件下的近似，即只要速度遠遠小于光速，經(jīng)過數(shù)學(xué)變換狹義相對論的公式就全部變化為牛頓經(jīng)典力學(xué)的公式，故A錯誤；B．在物體高速運動時，物體的運動規(guī)律服從狹義相對論理論，在低速運動時，物體的運動服從牛頓定律，故B正確；CD．牛頓經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀低速物體，而微觀、高速適用于狹義相對論，故CD錯誤。故選B。2．美國科學(xué)家于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)彌補了牛頓力學(xué)的局限性。關(guān)于牛頓力學(xué)，下列說法正確的是（）A．牛頓力學(xué)完全適用于宏觀低速運動B．牛頓力學(xué)取得了巨大成就，是普遍適用的C．隨著物理學(xué)的發(fā)展，牛頓力學(xué)將逐漸成為過時的理論D．由于相對論的提出，牛頓力學(xué)已經(jīng)失去了它的應(yīng)用價值【答案】A【解析】A．牛頓力學(xué)適用于低速運動的宏觀物體，故A正確；B．牛頓力學(xué)取得了巨大的成就，但它具有一定的局限性，并不是普遍適用的，故B錯誤；CD．在微觀高速領(lǐng)域，要用量子力學(xué)和相對論理論來解釋，但是并不會因為相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，就否定了牛頓力學(xué)，牛頓力學(xué)作為某些條件下的特殊情形，被包括在新的科學(xué)成就之中，不會過時，不會失去價值，故C、D錯誤。故選A。3.來自中國的全國首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”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，首次實現(xiàn)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．牛頓力學(xué)適用于描述“墨子號”繞地球運動的規(guī)律B．牛頓力學(xué)適用于描述光子的運動規(guī)律C．量子力學(xué)可以描述“墨子號”發(fā)出的“兩道紅色的光”的運動規(guī)律D．量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)說明牛頓力學(xué)已失去了實用價值【答案】AC【解析】A．牛頓力學(xué)可以用來描述物體的宏觀低速運動，故牛頓力學(xué)適用于描述“墨子號”繞地球運動的規(guī)律，A正確；B．對于運動速度接近光速的物體的運動，不適合用牛頓力學(xué)來描述，故B錯誤；C．量子力學(xué)可以描述“墨子號”發(fā)出的“兩道紅色的光”的運動規(guī)律，因為紅光運動速度為光速，所以需考慮相對論效應(yīng)，使用量子力學(xué)描述，故C正確；D．量子力學(xué)和牛頓力學(xué)適用范圍不同，量子力學(xué)適用于高速運動，在宏觀低速運動中，牛頓力學(xué)仍然適用，不能說牛頓力學(xué)已經(jīng)失去了實用價值，故D錯誤。故選AC。4.用相對論的觀點判斷，下列說法正確的是（）A．時間和空間都是絕對的，在任何參考系中一個事件發(fā)生的時間和一個物體的長度不會改變B．在地面上的人看來，以10km/s的速度運動的飛船中的時鐘會變慢，但是飛船中的宇航員卻看到時鐘是準(zhǔn)確的C．在地面上的人看來，以10km/s的速度向上運動的飛船在運動方向上會變短，而飛船中的宇航員卻感覺到地面上的人看起來比飛船中的人扁一些D．當(dāng)物體運動的速度時，時間變化和長度變化效果可忽略不計【答案】BCD【解析】A．按照相對論的觀點，時間和空間都是相對的，A錯誤；B．由可知，運動的時鐘變慢了，但飛船中的時鐘相對宇航員靜止，時鐘準(zhǔn)確，B正確；C．由可知，地面上的人看飛船和飛船上的人看地面上的人都沿運動方向長度減小，C正確；D．當(dāng)v?c時，時間變化和長度變化效果可忽略不計，D正確。故選BCD。5．年成功發(fā)射的“東方紅一號”是我國第一顆人造地球衛(wèi)星，該衛(wèi)星至今仍沿橢圓軌道繞地球運動。如圖所示，設(shè)衛(wèi)星在近地點、遠地點的速度分別為v1、v2，近地點到地心的距離為，地球質(zhì)量為，引力常量為。則（）A．，B．，C．地面上的觀察者觀察到飛船上的鐘在近地點比在遠地點走得更慢D．根據(jù)相對論，飛船中的觀察者發(fā)現(xiàn)靜止于地面的鐘走快了【答案】BC【解析】AB．根據(jù)開普勒第二定律可知，從遠地點到近