5.1-5.2经典力学的成就与局限性经典时空观与相对论时空观课件(粤教版必修2)

第一节经典力学的成就与局限性第二节经典时空观与相对论时空观1.了解经典力学的发展历程和伟大成就。2.知道经典力学的局限性和适用范围。3.了解经典时空观及其基本推论。4.了解狭义相对论的理论基础与相对论时空观的几个推论。重点：了解经典力学的局限性和适用范围。难点：了解狭义相对论的理论基础及相对论时空观的几个推论。一、经典力学的成就和局限性1.经典力学的伟大成就(1)经典力学把天上物体和地上物体的运动统一起来，从力学上证明了自然界的多样性的统一，实现了人类对自然界认识的第一次___________。理论大综合(2)使人们认识到了以现象观察和_________为基础的自然科学理论的基本特征。(3)建立了以_____和数学相结合的研究方法。(4)推动了其他学科的发展，与其他学科相结合产生了一些交叉性的分支学科。实验研究实验2.经典力学的局限性(1)经典力学的应用受到物体_________的限制。经典力学不适用于研究_____运动(接近光速)的物体。(2)经典力学不适用于微观领域中_________和能量不连续的现象。运动速率高速物质结构【想一想】牛顿第二定律属经典力学理论，它在高速世界还适用吗？提示：在高速世界中，物体的质量随着速度的增加而变大，物体的加速度不一定与它所受的外力成正比，牛顿第二定律不再适用。二、经典时空观1.惯性系与非惯性系(1)惯性系：凡是_________定律成立的参考系，相对于惯性系静止或做匀速直线运动的参考系都是惯性系。(2)非惯性系：_________定律不成立的参考系，相对于惯性系做变速运动的参考系是非惯性系。2.伽利略相对性原理对于所有的惯性系，_____规律都是相同的，或者说，一切惯性系都是_______。牛顿运动牛顿运动力学等效的3.经典时空观(绝对时空观)时间永远均匀地流逝，与任何外界_____；空间与任何外界事物_____，从不运动，永远不变。4.经典时空观的几个具体结论(1)_____的绝对性；(2)_________的绝对性；(3)_________的绝对性；(4)物体质量_________，即它们与参考系的选择(或观察者的运动状态)无关。无关无关同时时间间隔空间距离恒定不变【判一判】（1）经典时空观认为时间间隔是相对的。（）（2）经典时空观认为同时是相对的。（）（3）经典时空观认为物体的质量是绝对的。（）提示：经典时空观中，时间间隔是绝对的，（1）错误；经典时空观中，同时也是绝对的，（2）错误；经典时空观中，物体的质量也被视为恒定不变的，与参考系的运动无关，（3）正确。三、相对论时空观1.光速不变与经典物理学的矛盾：观察和实验事实表明：无论光源和观察者如何运动，光速只能是c，这与经典力学的_________法则相矛盾。2.狭义相对论的两条基本假设(1)相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是_______。(2)光速不变原理：不管在哪个惯性系中，测得的真空中的光速都_____。速度合成相同的相同3.相对论时空观(1)“同时”的相对性：在一个参考系中同时发生的两个事件，在另一个参考系看来是_______的。(2)运动的时钟变慢：时钟相对于观察者_____时，走得快；相对于观察者_____时，走得慢。运动速度越快，效果越明显。(3)运动的尺子缩短：物体相对于观察者_____时，它的长度测量值最大；相对于观察者_____时，观察者在_____方向上观测，它的长度要缩短，速度越快，缩的_____。(4)物体质量随速度的_____而增大。不同时静止运动静止运动运动越短增加【判一判】(1)运动的时钟变慢是说时钟走得慢了。（）(2)运动的尺子缩短表明物体真实长度变小。（）(3)物体所含物质的多少会随速度的变化而变化,这就是质速关系。（）提示：(1)运动的时钟变慢说明，在不同惯性系中观测时间测得的结果不同，并不是时钟真的走得慢了，故（1）错。(2)运动的尺子缩短说明，在不同惯性系中测量长度的结果会不同，并不是真实长度收缩了，故（2）错。(3)物体质量随速度的增加而增大是一种相对论效应，并不是物体所含物质的多少增大了，故（3）错。经典力学与相对论、量子力学的比较【探究导引】经典力学与相对论、量子力学是人类发展到不同历史时期的产物，请思考以下问题：（1）经典力学在哪些领域不适用？（2）牛顿万有引力定律与爱因斯坦引力理论有何异同？（3）经典力学与相对论、量子力学有什么关系？【要点整合】经典力学与相对论、量子力学的比较如下：比较项经典力学相对论、量子力学形成时期适用范围速度对质量的影响速度的合成物理学形成的初期阶段，受历史发展限制，理论较肤浅、片面形成于物理学充分发展的现代，理论较完善、科学低速运动、宏观世界，弱引力作用任何情况都适用物体的质量不随其速度的变化而变化物体的质量随其速度的增加而变大时间与空间互不相干，关系式v船岸=v船水+v水岸成立速度与位移、时间的测量有关,v船岸=v船水+v水岸不成立比较项经典力学相对论、量子力学引力规律联系牛顿的万有引力定律认为物体间的引力符合“平方反比”规律爱因斯坦引力理论认为物体间的引力不完全符合“平方反比”规律(1)以下两种情况，相对论与经典力学的结论没有区别：①物体的速度远小于光速c(3×108m/s)时；②“普朗克常量”(6.63×10-34J·s)可以忽略不计时。(2)相对论和量子力学都没有否定经典力学，经典力学是相对论、量子力学的特殊情况。【特别提醒】经典力学与相对论、量子力学并不矛盾，相对论、量子力学也没有否定经典力学。经典力学是相对论、量子力学在低速、宏观、弱引力作用条件下的特殊情况。【典例1】（双选）以下说法正确的是（）A.经典力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用B.经典力学理论的成立具有一定的局限性C.在经典力学中，物体的质量不随运动状态的改变而改变D.相对论与量子力学否定了经典力学理论【思路点拨】解答本题要掌握以下三点：【关键点】（1）经典力学的适用范围。（2）经典力学与相对论、量子力学间的关系。（3）物体质量随速度的变化特点。【规范解答】本题可以按以下表格对各项进行分析：答案：B、C选项分析结论ABCD××√√经典力学理论只适用于宏观、低速运动的物体经典力学只适用于宏观、低速运动的物体，具有一定的局限性经典力学研究的是低速运动问题，物体的质量变化很小，可以认为不变相对论和量子力学并不否定经典力学，认为经典力学是相对论、量子力学在一定条件下的特殊情形对相对论中“两个基本原理”和“相对论效应的理解”【探究导引】我们所熟悉的生活中，高速行驶的列车、高速飞行的子弹、发射升空的火箭等，这些高速运动物体的速度相对光速而言是低速宏观的。这些物体的运动规律也都是在低速宏观的条件下得出的。当物体以接近光速运动时，请思考以下问题：（1）在不同的参考系中观测时间，结果一定是相同的吗？（2）在不同的参考系中测量长度，结果会怎样?【要点整合】1.两个基本原理（1）相对性原理：所有物理规律在一切惯性参照系中都具有相同的形式，表明在任何惯性系中研究某个物体的某一运动过程，其运动规律的形式不变。（2）光速不变原理：在一切惯性参照系中，测量到的真空中的光速c都一样，表明了经典时空观与相对论时空观的不同；比较如下：两种时空观的比较经典时空观相对论时空观运动情况时间与空间的关系几个结论同一运动对不同参照系描述结果不同，即速度不同光在一切惯性参照系中传向各个方向的速度不变时间均匀流逝，空间不变化，与运动情况及外部条件无关时间、空间都随运动情况而改变①同时的绝对性②时间间隔的绝对性③空间距离的绝对性④物体的质量恒定不变①同时的相对性②运动的时钟变慢③运动的尺子缩短④物体的质量随速度的增大而增大2.对“相对论效应”的理解（1）同时的相对性：同时是相对的，不存在所有参考系普适的同时性概念。（2）运动的时钟变慢：在相对论时空观中，运动时钟与静止时钟的关系：由此式可以看出v＜c，。因此，如果某时钟所显示的某个物理过程经历的时间间隔小，我们就称该时钟走得慢。所以我们说运动的钟比静止的钟走得慢。这种效应被称为时间延缓。22ttv1c，tt＞（3）运动的尺子缩短：按照狭义相对论时空观，空间也与运动密切相关，即对某物体空间广延性的观测，与观测者和该物体的相对运动有关。观测长度l′与静止长度l之间的关系：l′=由于v＜c，所以l′＜l。这种长度观测效应被称为长度收缩。22v1c，l（4）物体质量随速度的增加而增大：由狭义相对论和其他物理原理，可推知物体的质量是变化的。当物体在所处的惯性参考系静止时，它具有最小的质量m0，这个最小质量叫静止质量。当物体以速度v相对某惯性参考系运动时，在这个惯性参考系观测到的质量为022mmv1c。【特别提醒】（1）在通常情况下，物体的速度很小时，相对论效应极其微小，可忽略不计，就简化为经典物理学，只有在高速运动时，相对论效应才显著。（2）时间延缓效应是一种观测效应，不是时钟走快了或走慢了，也不是被观测过程的节奏变化了。（3）长度收缩效应也是一种观测效应，不是物体本身发生了收缩。另外，在垂直于运动方向上不会发生收缩效应现象。【典例2】(2012·常州高一检测）长度测量与被测物体相对于观察者的运动有关，物体在运动方向上长度缩短了。一艘宇宙飞船的船身长度为L0=90m,相对地面以v=0.8c的速度在一观测站的上空飞过。（1）观测站的观测人员测得飞船的船身通过观测站的时间间隔是多少？（2）宇航员测得船身通过观测站的时间间隔为多少？【思路点拨】解答本题可以按以下思路分析：【关键点】（1）明确宇航员所测飞船的长度为静止长度L0。（2）观测员所测飞船长度为观测长度L。（3）运用t=分别求出观测时间。xv【规范解答】（1）观测站测得船身的长度为通过观测站的时间间隔为(2)宇航员测得飞船船身通过观测站的时间间隔为答案：（1）2.25×10-7s(2)3.75×10-7s2202vLL19010.8m54mc7L54mt2.2510sv0.8c。70L90mt3.7510sv0.8c。【总结提升】时间延缓效应和长度收缩效应的应用方法明确时间间隔的相对性公式中各物理量的含义,Δt是在“静止的参考系”(通常将观察者所在的参考系看成是静止的参考系)中测得的时间间隔,Δt′是在相对于“静止参考系”为速度v运动的“运动参考系”中测得的时间间隔。(1)“钟慢效应”或“动钟变慢”是在两个不同惯性系中进行时间比较的一种效应,不要认为是时钟的结构或精度因运动而发生了变化，而是在不同参考系中对时间的观测效应。(2)运动时钟变慢完全是相对的,在两个惯性参考系中的观测者都将发现对方的钟变慢了。【温馨提示】相对论效应告诉我们运动的时钟变慢，具体问题的求解值得我们思考。考查内容运动时钟变慢公式的应用【典例】π+介子是一种不稳定的粒子。当它静止时，平均寿命为2.5×10-8s。今测得它相对于实验室的速率为0.99c，那么在实验室测得的平均寿命是多少？【思路点拨】本题考查“运动时钟变慢”现象。可由时间延缓效应公式求解。【规范解答】由题意可知，Δt=2.5×10-8s，v=0.99c由Δt′=代入可得Δt′=1.77×10-7s答案：1.77×10-7s2tv1()c光速不变原理的应用1.光速不变原理：爱因斯坦的狭义相对论指出，在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c都一样，即光在所有的惯性参考系中的传播速度均是光速。2.速度合成的关系式v船岸=v船水+v水岸只适用于低速运动的惯性参考系，对于接近光速的高速运动物体，该关系式已不再适用，此时应根据光速不变原理去解决问题。【案例展示】(2012·福州高一检测)设某人在以速度0.5c飞行的飞船上打开一个光源，则下列说法正确的是（）A.飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.5cB.飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5cC.在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是0.5cD.在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c【规范解答】根据光速不变原理知，在任何惯性系中测得的真空中的光速