2019-2020学年新教材高中物理 第七章 万有引力与宇宙航行 第5节 相对论时空观与牛顿力学的局

课标要求1．知道什么是绝对时空观和相对论时空观。2．知道爱因斯坦的两个假设。3．知道时间延缓效应和长度收缩效应。4．了解牛顿力学的局限性和适用范围。第5节相对论时空观与牛顿力学的局限性一、相对论时空观1．填一填(1)绝对时空观：时间与空间都是独立于物体及其而存在的，也叫牛顿力学时空观。(2)爱因斯坦的假设：①在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是的；②真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是的。(3)时间延缓效应：Δt＝_________。(4)长度收缩效应：l＝___________。运动相同相同Δτ1－vc2l01－vc2(5)相对论时空观：运动物体的长度(空间距离)和物理过程的快慢(时间进程)都跟物体的有关。运动状态2．判一判(1)在不同的惯性系中，光速是不同的。()(2)由于在任何惯性系中力学规律都是相同的，因此，研究力学问题时可以选择任何惯性系。()(3)按照经典时空观，某一事件的发展过程，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔是相同的。()×√√3．想一想经典时空观和狭义相对论时空观中，空间和时间有什么不同？提示：经典时空观中空间和时间是绝对的，与物质的运动状态无关；在狭义相对论时空观中，空间和时间是相对的，与物质的运动状态有关。二、牛顿力学的成就与局限性1．填一填(1)牛顿力学的成就：从地面上物体的运动到的运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动，从投出篮球到发射导弹、人造地球卫星、宇宙飞船……所有这些都服从的规律。天体牛顿力学(2)牛顿力学的局限性：牛顿力学对于的物体和电子、质子、中子等微观粒子是不适用的。(3)量子力学的建立能够很好地描述运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用。(4)相对论与量子力学都没有过去的科学，而只认为过去的科学是自己在一定条件下的情形。高速运动微观粒子否定特殊2．判一判(1)相对论和量子力学的出现，说明经典力学已失去意义。()(2)原子中电子的运动能用经典力学进行解释。()(3)空气中灰尘的运动能用经典力学进行解释。()××√3．选一选下列说法正确的是()A．牛顿定律就是经典力学B．经典力学的基础是牛顿运动定律C．牛顿运动定律可以解决自然界中所有的问题D．经典力学可以解决自然界中所有的问题解析：经典力学并不等于牛顿运动定律，牛顿运动定律只是经典力学的基础；经典力学并非万能，也有其适用范围，并不能解决自然界中所有的问题，没有哪个理论可以解决自然界中所有的问题。因此只有B项正确。答案：B对相对论时空观的理解[学透用活]1．惯性系和非惯性系：牛顿运动定律能够成立的参考系为惯性系，相对于这个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系。2．相对性原理(1)根据麦克斯韦的电磁理论，真空中的光速在任何惯性系中都是一个常量。(2)迈克耳孙—莫雷实验证明：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是相同的。3．爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设(1)在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。4．长度的相对性——“动尺变短”狭义相对论中的长度公式：l＝l01－vc2中，l0是相对于杆静止的观察者测出的杆的长度，而l可以认为是杆沿自己的长度方向以速度v运动时，静止的观察者测量的长度。5．时间间隔的相对性——动钟变慢时间间隔的相对性公式：Δt＝Δτ1－vc2中，Δτ是相对事件发生地静止的观察者测量同一地点的两个事件发生的时间间隔，而Δt是相对于事件发生地以速度v高速运动的观察者测量同一地点的同样两个事件发生的时间间隔。[典例1]π＋介子是一种不稳定粒子，平均寿命是2.6×10－8s(在自己的参考系中测得)。(1)如果此粒子相对于实验室以0.8c的速度运动，那么在实验室坐标系中测量的π＋介子寿命多长？(2)π＋介子在衰变前运动了多长距离？[解析](1)π＋介子在实验室中观察的寿命为Δt＝Δτ1－vc2＝2.6×10－81－0.82s≈4.3×10－8s。(2)该粒子在衰变前运动的距离为x＝vΔt＝0.8×3×108×4.3×10－8m＝10.32m。[答案](1)4.3×10－8s(2)10.32m[易错警示](1)时间间隔、长度的变化，都是由于物质的相对运动引起的一种观测效应，它与所选取的参考系有关，物质本身的结构并没有变化。(2)两个事件的时间间隔和物体的长度，必须与所选取的参考系相联系，如果在没有选取参考系的情况下讨论时间的长短及空间的尺寸，是没有任何意义的。[对点练清]1．[多选]设某人在速度为0.5c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cD．在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c解析：根据狭义相对论的“光速不变原理”可知，真空中的光速在不同的惯性系中都是相同的，所以真空中的光速相对于飞船的速度为c，相对于地面的速度也为c。答案：CD2．关于狭义相对论，下列说法不正确的是()A．狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的B．狭义相对论认为在一切惯性系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关C．狭义相对论只涉及无加速度运动的惯性系D．狭义相对论任何情况下都适用解析：根据狭义相对论的基本假设可知，选项A、B正确；狭义相对论只涉及惯性参考系，不涉及非惯性参考系，选项D错误，选项C正确。答案：D3．一张长、宽均为5m的宣传画，平行地贴于铁路旁边的墙上，一超高速列车以2×108m/s的速度接近此宣传画，这张画由司机测量高度为多少？长度为多少？解析：垂直速度方向的长度不变，高度仍然是5m，沿运动方向长度变短，为l＝l01－vc2＝5×1－2×1083×1082m≈3.7m所以，司机看到的画面尺寸高为5m，长度为3.7m。答案：5m3.7m经典力学相对论、量子力学形成时期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、科学适用范围低速运动、宏观世界任何情况都适用速度的合成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水岸不成立联系(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。经典力学与相对论、量子力学的比较[学透用活][典例2][多选]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改变而改变D．相对论和量子力学否定了经典力学理论[解析]经典力学理论具有一定的局限性，它只适用于低速、宏观物体的运动，选项A错误，B正确；在经典力学中，物体的质量不随运动状态的改变而改变，即物体的质量和物体运动的速度无关，选项C正确；相对论和量子力学并没有否定过去的科学，而是认为经典力学理论是在一定条件下的特殊情形，选项D错误。[答案]BC[对点练清]1．经典力学只适用于“宏观世界”，这里的“宏观世界”是指()A．行星、恒星、星系等巨大的物质领域B．地球表面上的物质世界C．人眼能看到的物质世界D．不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界解析：前三个选项说的当然都属于“宏观世界”，但都很片面，没有全面描述，本题应选D。答案：D2．[多选]关于经典力学、狭义相对论和量子力学，下列说法中正确的是()A．狭义相对论和经典力学是相互对立的、互不相容的两种理论B．在物体高速运动时，物体的运动规律遵循狭义相对论，在低速运动时，物体的运动遵循牛顿运动定律C．经典力学适用于宏观物体的运动，量子力学适用于微观粒子的运动D．不论是宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的解析：经典力学只适用于宏观物体的低速运动，相对论和量子力学并没有全盘否定经典力学理论。在低速运动的宏观世界中，两种理论是一致的。故B、C正确，A、D错误。答案：BC一、质速关系(物理观念)[选自鲁科版教材P108“拓展一步”]在经典物理学中，物体的质量与运动无关。从相对论的角度看，物体的质量则是变化的。当物体相对于某惯性参考系静止时，它具有最小的质量m0；当物体以速度v相对该惯性参考系运动时，则在该惯性参考系观测它的质量m＝m01－v2c2，可见，物体的质量会随着它运动速度的增大而增大。这便是相对论的质速关系。一个原来静止的电子，经高压加速后速度为v＝6×106m/s。则电子的质量增大了还是减小了？改变了百分之几？(光速c＝3×108m/s)[解析]根据爱因斯坦的狭义相对论m＝m01－v2c2得，运动后电子的质量增大了，且m＝m01－v2c2＝m01－6×10623×1082≈1.0002m0所以质量改变的百分比为m－m0m0×100%＝0.02%[答案]增大了0.02%二、典题好题发掘，练典题做一当十[选自鲁科版教材P109第2题]惯性参考系S中有一边长为l的正方形。从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图像可能是()解析：由l＝l01－vc2可知沿速度方向即沿x方向的长度变短了，而垂直于速度方向，即沿y轴方向上的边长不变，故选项C正确。答案：C