2024年高中物理新教材同步 必修第二冊(cè)學(xué)習(xí)筆記第7章 5　相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性

5相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.知道愛(ài)因斯坦的兩個(gè)假設(shè)的內(nèi)容(重點(diǎn))。2.知道時(shí)間延緩效應(yīng)及長(zhǎng)度收縮效應(yīng)結(jié)論的內(nèi)容(重難點(diǎn))。3.認(rèn)識(shí)經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍。4.了解相對(duì)論、量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系。一、相對(duì)論時(shí)空觀地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的速度是3×104m/s，設(shè)在美國(guó)伊利諾斯州費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的圓形粒子加速器可以把電子加速到0.999999999987倍光速的速度，請(qǐng)思考：(1)在狹義相對(duì)論中，地球的公轉(zhuǎn)速度屬于低速還是高速？被加速器加速后的電子的速度屬于低速還是高速？(2)在地面上校準(zhǔn)的兩只鐘，一只留在地面上，一只隨宇宙飛船遨游太空，隔一段時(shí)間飛船返回地面時(shí)，兩只鐘顯示的時(shí)間相同嗎？有什么差別？________________________________________________________________________________________________________________________________________________1．19世紀(jì)，物理學(xué)家________根據(jù)電磁場(chǎng)理論預(yù)言了電磁波的存在，并證明電磁波的傳播速度________光速c。2．1887年的邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)以及其他一些實(shí)驗(yàn)表明：在不同的參考系中，光的傳播速度____________！這與牛頓力學(xué)中不同參考系之間的速度變換關(guān)系________。3．愛(ài)因斯坦假設(shè)(1)在不同的________參考系中，物理規(guī)律的形式都是________的。(2)真空中的________在不同的慣性參考系中大小都是________的。4．相對(duì)論時(shí)空觀(1)時(shí)間延緩效應(yīng)①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Δτ，地面上的人觀察到該物體完成這個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為Δt，那么兩者之間的關(guān)系是Δt＝________。②Δt與Δτ的關(guān)系總有Δt____Δτ(選填“>”“<”或“＝”)，即物理過(guò)程的快慢(時(shí)間進(jìn)程)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)______(填“有關(guān)”或“無(wú)關(guān)”)。(2)長(zhǎng)度收縮效應(yīng)①如果與桿相對(duì)靜止的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l0，沿著桿的方向，以v相對(duì)桿運(yùn)動(dòng)的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l，那么兩者之間的關(guān)系是l＝____________________________。②l與l0的關(guān)系總有l(wèi)____l0(選填“>”“<”或“＝”)，即運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度(空間距離)跟物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)________(填“無(wú)關(guān)”或“有關(guān)”)。(1)運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘顯示的時(shí)間變慢，高速飛行的μ子的壽命變長(zhǎng)。()(2)沿著桿的方向，相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng)的桿的長(zhǎng)度變短。()例1(2022·上海市第十中學(xué)高一期末)設(shè)某人在速度為0.5c的飛船上打開(kāi)一個(gè)光源，(c為真空中傳播的光速)則下列說(shuō)法正確的是()A．飛船正前方地面上的觀察者看到這一光速為1.5cB．飛船正后方地面上的觀察者看到這一光速為0.5cC．在垂直飛船前進(jìn)方向地面上的觀察者看到這一光速是eq\f(\r(5),2)cD．在地面上任何地方的觀察者看到的光速都是c例2假設(shè)地面上有一火車以接近光速的速度運(yùn)行，其內(nèi)站立著一個(gè)中等身材的人，站在路旁的人觀察車?yán)锏娜?，觀察的結(jié)果是()A．這個(gè)人是一個(gè)矮胖子B．這個(gè)人是一個(gè)瘦高個(gè)子C．這個(gè)人矮但不胖D．這個(gè)人瘦但不高相對(duì)于地面以速度v高速運(yùn)動(dòng)的物體，從地面上看：(1)沿著運(yùn)動(dòng)方向上的長(zhǎng)度變短了，速度越大，變短得越多。(2)在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上不發(fā)生長(zhǎng)度收縮效應(yīng)現(xiàn)象。例3飛船以0.9c的速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)(c為光在真空中的傳播速度)，并向運(yùn)動(dòng)的反方向發(fā)出電磁波，甲在飛船內(nèi)，乙在地球上，以下說(shuō)法符合實(shí)際的是()A．甲、乙觀察到飛船內(nèi)時(shí)鐘快慢一樣B．發(fā)出的電磁波相對(duì)于飛船的速度為1.9cC．乙觀察到飛船內(nèi)桌子的長(zhǎng)度比靜止時(shí)短D．乙觀察到與飛船保持相對(duì)靜止的桌子做勻加速直線運(yùn)動(dòng)例4話說(shuō)有兄弟兩個(gè)，哥哥乘坐宇宙飛船以接近光速的速度離開(kāi)地球去遨游太空，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間返回地球，哥哥驚奇地發(fā)現(xiàn)弟弟比自己要蒼老許多，則該現(xiàn)象的科學(xué)解釋是()A．哥哥在太空中發(fā)生了基因突變，停止生長(zhǎng)了B．弟弟思念哥哥而加速生長(zhǎng)C．由相對(duì)論可知，物體速度越大，其時(shí)間進(jìn)程越慢，生理進(jìn)程也越慢D．這是神話，科學(xué)無(wú)法解釋例5一艘太空飛船靜止時(shí)的長(zhǎng)度為30m，它以0.6c(c為真空中的光速)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二、牛頓力學(xué)的成就與局限性如圖所示，質(zhì)子束被加速到接近光速，牛頓力學(xué)適用于質(zhì)子束的運(yùn)動(dòng)規(guī)律嗎？________________________________________________________________________________________________________________________________________________1．牛頓力學(xué)的成就(1)把天體的運(yùn)動(dòng)與地面上物體的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了人類對(duì)自然界認(rèn)識(shí)的第一次理論大綜合。(2)在宏觀、低速、弱引力的廣闊區(qū)域，包括天體力學(xué)的研究中，經(jīng)受了實(shí)踐檢驗(yàn)，取得了巨大成就。(3)將“實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)”相結(jié)合的方法推廣到物理學(xué)的各個(gè)分支，形成了完整的經(jīng)典力學(xué)體系。2．牛頓力學(xué)的局限性(1)物體在以接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵從的規(guī)律，有些是與牛頓力學(xué)的結(jié)論并不相同的。(2)在微觀世界中(尺度在10－10m以下)，由于物質(zhì)的存在和運(yùn)動(dòng)形式(波粒二象性)較宏觀世界，有較大的不同，牛頓力學(xué)也不適用。3．牛頓力學(xué)的適用范圍牛頓力學(xué)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；只適用于弱引力情況，不適用于強(qiáng)引力情況。4．低速與高速(1)低速：通常所見(jiàn)物體的運(yùn)動(dòng)，如行駛的汽車、發(fā)射的導(dǎo)彈、人造地球衛(wèi)星及宇宙飛船等物體皆為低速運(yùn)動(dòng)的物體。(2)高速：有些微觀粒子在一定條件下其速度可以與光速相接近，這樣的速度稱為高速。相對(duì)論和量子力學(xué)是不是否定了牛頓力學(xué)？說(shuō)說(shuō)你的看法。________________________________________________________________________________________________________________________________________________(1)相對(duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，說(shuō)明經(jīng)典力學(xué)已失去意義。()(2)原子中電子的運(yùn)動(dòng)能用經(jīng)典力學(xué)進(jìn)行解釋。()(3)空氣中灰塵的運(yùn)動(dòng)能用經(jīng)典力學(xué)進(jìn)行解釋。()(4)牛頓力學(xué)只適用于世界上普通的物體，研究天體的運(yùn)動(dòng)牛頓力學(xué)就無(wú)能為力了。()(5)洲際導(dǎo)彈的速度可達(dá)到6000m/s，在這種高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，牛頓力學(xué)不適用。()(6)對(duì)于質(zhì)子、電子的運(yùn)動(dòng)情況，牛頓力學(xué)同樣適用。()例6(2022·綿陽(yáng)市高一期末)關(guān)于牛頓力學(xué)理論，下述說(shuō)法中正確的是()A．牛頓力學(xué)適用于宏觀、低速、弱引力場(chǎng)B．相對(duì)論和量子力學(xué)證明了牛頓力學(xué)是錯(cuò)誤和過(guò)時(shí)的C．牛頓力學(xué)認(rèn)為時(shí)空是相對(duì)的D．牛頓力學(xué)可以預(yù)言各種尺度下的運(yùn)動(dòng)例7(2022·廣州市高一期末)下列運(yùn)動(dòng)中，不能用牛頓力學(xué)規(guī)律描述的是()A．子彈的飛行B．粒子接近光速運(yùn)動(dòng)C．“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車從廣州向北京奔馳D．神舟十三號(hào)飛船