5 相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性

1、相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性核心素養(yǎng)目標(biāo)物理觀念知道愛因斯坦的兩條假設(shè)，了解時(shí)間延緩效應(yīng)、長(zhǎng)度收縮效應(yīng)，認(rèn)識(shí)牛頓力學(xué)的成就與局限性。科學(xué)思維知道牛頓力學(xué)的適用范圍，認(rèn)識(shí)物理學(xué)中理論的相對(duì)穩(wěn)定性，要有質(zhì)疑精神?？茖W(xué)探究認(rèn)識(shí)邁克耳孫一莫雷實(shí)驗(yàn)對(duì)光速不變?cè)淼耐苿?dòng)作用，體會(huì)實(shí)驗(yàn)和理論的相互關(guān)系。藍(lán)亙礎(chǔ)知識(shí)知識(shí)點(diǎn)一相對(duì)論時(shí)空觀1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。2時(shí)間延緩效應(yīng)如果相對(duì)于地面以v運(yùn)動(dòng)的慣性參考系上的人觀察到與其一起運(yùn)動(dòng)的物體完成某個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為Ar，地面上的人觀察到該物體在同二地點(diǎn)完成這個(gè)動(dòng)作

2、的時(shí)間間隔為At,那么兩者之間的關(guān)系是At=Ar何21kc丿由于12<1,所以總有At>Ar,此種情況稱為時(shí)間延緩效應(yīng)。3長(zhǎng)度收縮效應(yīng)如果與桿相對(duì)靜止的人測(cè)得桿長(zhǎng)是10,沿著桿的方向，以v相對(duì)桿運(yùn)動(dòng)的人測(cè)得何2由于1冷桿長(zhǎng)是1,那么兩者之間的關(guān)系是1=10、<1,所以總有l(wèi)<l0,此種情況稱為長(zhǎng)度收縮效應(yīng)。慣性參考系凡是牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參考系，稱為慣性參考系，簡(jiǎn)稱慣性系。 所有相對(duì)于慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系都是慣性系。 所有相對(duì)于慣性系做變速運(yùn)動(dòng)的參考系都是非慣性系。運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度(空間距離)和物理過(guò)程的快慢(時(shí)間進(jìn)程)都跟物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。知識(shí)點(diǎn)二牛頓力學(xué)的成

3、就與局限性1. 牛頓力學(xué)的成就從地面上物體的運(yùn)動(dòng)到天體的運(yùn)動(dòng)，從攔河筑壩、修建橋梁到設(shè)計(jì)各種機(jī)械，從自行車到汽車、火車、飛機(jī)等現(xiàn)代交通工具的運(yùn)動(dòng)，從投出籃球到發(fā)射導(dǎo)彈、人造地球衛(wèi)星、宇宙飛船所有這些都服從牛頓力學(xué)的規(guī)律。2牛頓力學(xué)的局限性(1) 牛頓力學(xué)不適用于高速運(yùn)動(dòng)。(2) 物理學(xué)研究深入到微觀世界，發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，而且發(fā)現(xiàn)它們不僅具有粒子性，同時(shí)還具有波動(dòng)性，它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律在很多情況下不能用牛頓力學(xué)來(lái)說(shuō)明。3牛頓力學(xué)的適用范圍核心探究只適用于低速運(yùn)動(dòng),不適用于高速運(yùn)動(dòng)；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界。,牛頓力學(xué)經(jīng)歷了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，不會(huì)被新的科學(xué)所否定。它以某種特殊情形被

4、包含在新的理論之中。iiiiiiiiiiiHMIIIIIIh炎嚴(yán)梭業(yè)要點(diǎn)刪核心要點(diǎn)一相對(duì)論時(shí)空觀牛頓力學(xué)時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀比較比較項(xiàng)目牛頓力學(xué)時(shí)空觀相對(duì)論時(shí)空觀同時(shí)絕對(duì)性相對(duì)性光速可變（遵循經(jīng)典速度變換規(guī)律）不變物理規(guī)律在不同慣性參考系中其形式相同例1（多選）關(guān)于相對(duì)論時(shí)空觀的說(shuō)法，正確的是（）A. 在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的B. 在一切慣性參考系中，光在真空中的速度都等于c,與光源的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)C. 在牛頓力學(xué)時(shí)空觀中認(rèn)為同時(shí)發(fā)生的事件，在相對(duì)論時(shí)空觀中也是同時(shí)發(fā)生的D. 時(shí)間和空間是永恒不變的解析相對(duì)論時(shí)空觀中，在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的，選項(xiàng)A正確；在一

5、切慣性參考系中，光在真空中的速度都等于c,與光源的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，選項(xiàng)B正確；相對(duì)論時(shí)空觀中，時(shí)間和空間具有相對(duì)性，故選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤。答案AB例2（2019江西吉安高一月考）如圖所示，a、b、c為三個(gè)完全相同的時(shí)鐘，a放在水平地面上,b、c分別放在以速度vb、c向同一方向飛行的兩枚火箭上，且vb<vc，則地面的觀察者認(rèn)為走得最慢的鐘為（）A.aB.bC.cD.無(wú)法確定解析At可知，相對(duì)于觀察者的速度v越大，其上的時(shí)間進(jìn)程越慢，由vc>vb>va，知c鐘走得最慢。答案C例3如圖所示，兩艘飛船A、B沿同一直線同向飛行，相對(duì)地面的速度均為v（v接近光速c）。地面上測(cè)得它們相距為L(zhǎng)，則A測(cè)

6、得兩飛船間的距離（選填“大于”“等于”或“小于”）L。當(dāng)B向A發(fā)出一光信號(hào)，A測(cè)得該信號(hào)的速度解析從飛船A測(cè)量時(shí)飛船B是靜止的，從地面上測(cè)量時(shí)兩飛船都是運(yùn)動(dòng)的，由相對(duì)論的“長(zhǎng)度收縮效應(yīng)”知運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度要縮短，故從地面測(cè)得的飛船間距小。由光速不變?cè)碇庑盘?hào)的傳播速度與參考系是無(wú)關(guān)的，故A測(cè)得該信號(hào)的速度仍為光速c。答案大于c（或光速）針對(duì)訓(xùn)練1（2016江蘇高考）一艘太空飛船靜止時(shí)的長(zhǎng)度為30m,他以0.6c（c為光速）的速度沿長(zhǎng)度方向飛行越過(guò)地球，下列說(shuō)法正確的是（）A. 飛船上的觀測(cè)者測(cè)得該飛船的長(zhǎng)度小于30mB. 地球上的觀測(cè)者測(cè)得該飛船的長(zhǎng)度小于30mC. 飛船上的觀測(cè)者測(cè)得地球上發(fā)來(lái)的光

7、信號(hào)速度小于cD. 地球上的觀測(cè)者測(cè)得飛船上發(fā)來(lái)的光信號(hào)速度小于c解析由l=lJlJc知A錯(cuò)誤，B正確；由相對(duì)論時(shí)空觀的基本假設(shè)知光信號(hào)的速度都等于c，C、D錯(cuò)誤。答案B針對(duì)訓(xùn)練2在一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的巨大轉(zhuǎn)盤上放置三個(gè)完全相同的時(shí)鐘，a放在轉(zhuǎn)軸處，b放在中間，c放在邊緣處，如圖所示。對(duì)于地面上的觀察者，根據(jù)相對(duì)論認(rèn)為三個(gè)時(shí)鐘的快慢情況，下列說(shuō)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鐘最快解析根據(jù)公式At=2,地面上的觀察者認(rèn)為c鐘走得最慢，因?yàn)樗鄬?duì)觀察者的速度最大；b鐘比c鐘快一些，而a鐘最快，因?yàn)樗乃俣茸钚?，選項(xiàng)C正確。答案

8、C核心要點(diǎn)二對(duì)牛頓力學(xué)的理解1.牛頓力學(xué)牛頓力學(xué)通常指以牛頓運(yùn)動(dòng)定律為核心的矢量力學(xué)，有時(shí)也泛指描述低速宏觀物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典力學(xué)體系。2. 發(fā)展歷程從亞里士多德和阿基米德的物理學(xué)發(fā)展到經(jīng)典力學(xué)體系經(jīng)歷了約兩千年，經(jīng)歷了以哥白尼、開普勒和伽利略為代表的科學(xué)革命。牛頓在伽利略、笛卡兒、開普勒、惠更斯等人研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一次科學(xué)的偉大的綜合，形成了一個(gè)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、以數(shù)學(xué)為表達(dá)形式的力學(xué)科學(xué)體系。3. 牛頓力學(xué)的偉大成就牛頓力學(xué)和天文學(xué)相結(jié)合，建立了天體力學(xué)；牛頓力學(xué)和工程實(shí)際相結(jié)合，建立了各種應(yīng)用力學(xué)，如流體力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等。所有宏觀物體的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，都服從牛頓力學(xué)的規(guī)律。4. 牛頓

9、力學(xué)的局限性牛頓力學(xué)有自身的局限性，它不適用于高速運(yùn)動(dòng)，也不適用于微觀領(lǐng)域。在高速運(yùn)動(dòng)中，相對(duì)論可以描述其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，量子力學(xué)可以描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。但相對(duì)論和量子力學(xué)并未否定牛頓力學(xué)，只認(rèn)為牛頓力學(xué)是自己在一定條件下的特殊情形。例4下列說(shuō)法中正確的是()A. 牛頓運(yùn)動(dòng)定律就是牛頓力學(xué)B. 牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律C. 牛頓運(yùn)動(dòng)定律可以解決自然界中的所有問(wèn)題D. 牛頓力學(xué)可以解決自然界中的所有問(wèn)題解析牛頓力學(xué)并不等同于牛頓運(yùn)動(dòng)定律，牛頓運(yùn)動(dòng)定律只是牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)；牛頓力學(xué)并非萬(wàn)能，也有其適用范圍，并不能解決自然界中的所有問(wèn)題，沒有哪個(gè)理論可以解決自然界中的所有問(wèn)題。因此只有弄清牛頓運(yùn)動(dòng)定

10、律和牛頓力學(xué)的隸屬關(guān)系，明確牛頓力學(xué)的適用范圍才能正確解答此類問(wèn)題，選項(xiàng)B正確。答案B針對(duì)訓(xùn)練3牛頓力學(xué)不適用于下列哪些運(yùn)動(dòng)()A. 火箭的發(fā)射B. 宇宙飛船繞地球的運(yùn)動(dòng)C. “勇氣號(hào)”宇宙探測(cè)器的運(yùn)行D. 微觀粒子的波動(dòng)性解析牛頓力學(xué)適用于宏觀、低速物體的運(yùn)動(dòng)，而研究微觀粒子的波動(dòng)性時(shí)牛頓力學(xué)不再適用，選項(xiàng)D正確，A、B、C錯(cuò)誤。答案D針對(duì)訓(xùn)練4（多選）關(guān)于牛頓力學(xué)、相對(duì)論和量子力學(xué)，下列說(shuō)法中正確的是（）A. 相對(duì)論和牛頓力學(xué)是相互對(duì)立、互不相容的兩種理論B. 在物體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律適用相對(duì)論理論，在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)適用牛頓運(yùn)動(dòng)定律C. 牛頓力學(xué)適用于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)，量子力

11、學(xué)適用于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)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)都是適用的解析首先必須知道，牛頓力學(xué)解決低速宏觀問(wèn)題，高速問(wèn)題應(yīng)由相對(duì)論理論解決，微觀問(wèn)題應(yīng)由量子力學(xué)解決。相對(duì)論并沒有否定牛頓力學(xué)，而是認(rèn)為牛頓力學(xué)是相對(duì)論理論在一定條件下的特殊情況，故選項(xiàng)A、D錯(cuò)誤，B、C正確。答案BC效果反饋課堂效呆評(píng)折1.（多選）牛頓運(yùn)動(dòng)定律適用于下列哪些情況（）A. 研究原子中電子的運(yùn)動(dòng)B. 研究“嫦娥四號(hào)”的高速發(fā)射C. 研究地球繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)D. 研究飛機(jī)從深圳飛往北京的航線解析牛頓力學(xué)屬于經(jīng)典力學(xué)的研究范疇，適用于宏觀、低速運(yùn)動(dòng)的物體，要注意到低速和高速的標(biāo)準(zhǔn)是相對(duì)于光速而言的，則可判定

12、牛頓運(yùn)動(dòng)定律適用于B、C、D中描述的運(yùn)動(dòng)，而A不適用。答案BCD2關(guān)于牛頓力學(xué)和相對(duì)論，下列說(shuō)法正確的是（）A. 牛頓力學(xué)和相對(duì)論是各自獨(dú)立的學(xué)說(shuō)，互不相容B. 相對(duì)論是在否定了牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的C. 相對(duì)論和牛頓力學(xué)是兩種不同的學(xué)說(shuō)，二者沒有聯(lián)系D. 牛頓力學(xué)包含于相對(duì)論之中，牛頓力學(xué)是相對(duì)論的特例解析人們對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)要受到所處時(shí)代的客觀條件和科學(xué)水平的制約，所以形成的看法也都具有一定的局限性，人們只有不斷地?cái)U(kuò)展自己的認(rèn)識(shí)，才能掌握更廣闊領(lǐng)域內(nèi)的不同事物的本質(zhì)與規(guī)律；新的科學(xué)的誕生并不意味著對(duì)原來(lái)科學(xué)的全盤否定，只能認(rèn)為過(guò)去的科學(xué)是新的科學(xué)在一定條件下的特殊情形，選項(xiàng)D正確。答案

13、D3.2017年10月3日，瑞典皇家科學(xué)院將2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了三位美國(guó)科學(xué)家，以表彰他們對(duì)LIGO探測(cè)裝置的決定性貢獻(xiàn)和探測(cè)到引力波的存在。引力波是愛因斯坦相對(duì)論的最后一塊缺失的“拼圖”，相對(duì)論在一定范圍內(nèi)彌補(bǔ)了牛頓力學(xué)的局限性。關(guān)于牛頓力學(xué)，下列說(shuō)法正確的是()A. 牛頓力學(xué)完全適用于宏觀低速運(yùn)動(dòng)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(guò)時(shí)的理論D. 由于相對(duì)論、量子論的提出，牛頓力學(xué)已經(jīng)失去了它的應(yīng)用價(jià)值解析牛頓力學(xué)完全適用于宏觀低速運(yùn)動(dòng)的物體，故選項(xiàng)A正確；牛頓力學(xué)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，故選項(xiàng)B

14、錯(cuò)誤；在微觀高速情況下，要用量子力學(xué)和相對(duì)論來(lái)解釋，但是并不會(huì)因?yàn)橄鄬?duì)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)在其適用范圍內(nèi)仍然是正確的，故不會(huì)過(guò)時(shí)也不會(huì)失去應(yīng)用價(jià)值，故選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤。答案A4.(多選)接近光速飛行的飛船和地球上各有一只相同的銫原子鐘，飛船和地球上的人觀測(cè)這兩只鐘的快慢，下列說(shuō)法正確的有()A. 飛船上的人觀測(cè)到飛船上的鐘較快B. 飛船上的人觀測(cè)到飛船上的鐘較慢C. 地球上的人觀測(cè)到地球上的鐘較快D. 地球上的人觀測(cè)到地球上的鐘較慢解析飛船上的人觀察鐘表時(shí)，是以飛船為參考系，看到地球上的鐘表在高速運(yùn)動(dòng)，觀察到地球上的鐘慢，即飛船上的鐘快，選項(xiàng)A正確，B錯(cuò)誤；同理地球上的

15、人是以地球?yàn)閰⒖枷担^察結(jié)果是地球上的鐘快，即飛船上的鐘慢，選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤。答案AC5.（2019福建三明高一月考）慣性系S中有一邊長(zhǎng)為l的正方形，從相對(duì)S系沿x方向以接近光速勻速飛行的飛行器上測(cè)得該正方形的圖像是（如圖所示）（）(v2解析由l=lA/1-I-I可知沿速度方向即x軸方向的長(zhǎng)度變短了，而垂直于速度方向即y軸方向的邊長(zhǎng)不變，故C正確。答案C6枚靜止時(shí)長(zhǎng)30m的火箭以0.6c（c為光速）的速度從觀察者的身旁掠過(guò)，觀察者測(cè)得火箭的長(zhǎng)度為厶，火箭上的人測(cè)得火箭的長(zhǎng)度為L(zhǎng)2,則L、L2的數(shù)值應(yīng)是A.30m，30mB.30m，24mC.24m，30mD.24m，24m解析火箭上的人與火箭相對(duì)靜止，他測(cè)得的數(shù)值應(yīng)為L(zhǎng)2=30m,而觀察者的測(cè)量值為L(zhǎng)1=L20.6c2=30X0.8m=24m，選項(xiàng)C正確。答案C7.如圖所示，沿平直鐵路有間距相等的三座鐵塔A