7-5相對論時空觀與牛頓力學局限性(人教版2019必修第二冊)(原卷版)

第七章萬有引力與宇宙航行第五節(jié)相對論時空觀與牛頓力學局限性[核心素養(yǎng)·明目標]核心素養(yǎng)學習目標物理觀念了解經(jīng)典力學的發(fā)展歷程和偉大成就，認識經(jīng)典力學的局限性和適用范圍?？茖W思維知道相對論、量子論有助于人類認識高速、微觀領(lǐng)域?？茖W探究探究愛因斯坦狹義相對論的基本假設(shè)，知道長度相對性和時間間隔相對性的表達式?？茖W態(tài)度與責任感受牛頓力學在高速世界與事實的矛盾，知道牛頓力學只適用于低速、宏觀物體的運動。知道相對論、量子論有助于人類認識高速、微觀領(lǐng)域。知識點一經(jīng)典力學的巨大成就1.經(jīng)典力學經(jīng)典力學通常叫牛頓力學，主要研究宏觀物體機械運動的規(guī)律。2.經(jīng)典力學的巨大成就(1)把天體的運動與地上物體的運動統(tǒng)一起來。(2)經(jīng)典力學和以經(jīng)典力學為基礎(chǔ)發(fā)展起來的天體力學、材料力學和結(jié)構(gòu)力學等得到了廣泛的應(yīng)用。(3)力學和熱力學的發(fā)展及其與生產(chǎn)的結(jié)合引發(fā)了第一次工業(yè)革命。(4)由牛頓力學定律導出的動量守恒定律、機械能守恒定律等是航空航天技術(shù)的理論基礎(chǔ)。(5)相對論和量子力學的形成都受到經(jīng)典力學的影響。知識點二經(jīng)典力學方法論的意義1.兩種典型研究方法(1)伽利略：“自然數(shù)學化”的方法，開創(chuàng)了將實驗、邏輯(數(shù)學)相結(jié)合的方法。(2)牛頓：歸納—演繹法，大量運用數(shù)學方法系統(tǒng)地整理物理學理論的方法.其演繹的結(jié)果必須通過實驗驗證。2.意義伽利略和牛頓的科學方法是經(jīng)典力學方法的典型，影響深遠，并不斷得到發(fā)展和完善，逐漸成為一種傳統(tǒng)，甚至作為社會科學和哲學的方法論，意義很大。知識點三經(jīng)典力學的局限性和適用范圍1.經(jīng)典力學的局限性和適用范圍：對于宏觀、低速(相對光速)物體的運動經(jīng)典力學仍然適用。2.經(jīng)典力學的局限性(1)經(jīng)典力學的應(yīng)用受到物體運動速率的限制，當物體運動速率接近于真空中的光速時，經(jīng)典力學的許多觀念將發(fā)生重大變化。(2)經(jīng)典力學不適用于微觀領(lǐng)域中物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能量不連續(xù)的現(xiàn)象。(3)量子力學的建立能夠很好地描述微觀運動的規(guī)律，并在現(xiàn)代科學技術(shù)中發(fā)揮了重要作用。(4)相對論與量子力學都沒有否定過去的科學，而只認為過去的科學是自己在一定條件下的特殊情形。知識點四經(jīng)典時空觀與相對論時空觀1.經(jīng)典時空觀(1)經(jīng)典時空觀(絕對時空觀)：時間永遠均勻地流逝，與任何外界無關(guān)；空間與任何外界事物無關(guān)，從不運動，永遠不變。(2)慣性系與非慣性系：①慣性系：凡是牛頓運動定律成立的參考系，相對于慣性系靜止或做勻速直線運動的參考系都是慣性系。②非慣性系：牛頓運動定律不成立的參考系，相對于慣性系做變速運動的參考系是非慣性系。(3)伽利略相對性原理：對于所有的慣性系，力學規(guī)律都是相同的，或者說，一切慣性系都是等價的。(4)經(jīng)典時空觀的幾個具體結(jié)論：①同時的絕對性；②時間間隔的絕對性；③空間距離的絕對性；④物體質(zhì)量恒定不變，即它們與參考系的選擇(或觀察者的運動狀態(tài))無關(guān)。2.相對論時空觀(1)光速不變與經(jīng)典物理學的矛盾：觀察和實驗事實表明：無論光源和觀察者如何運動，光速只能是c，這與經(jīng)典力學的速度合成法則相矛盾。(2)狹義相對論的兩條基本假設(shè)：①相對性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的。②光速不變原理：在一切慣性系中，光在真空中傳播的速度都等于c，跟光源的運動無關(guān)。(3)相對論時空觀①同時的相對性：在一個參考系中同時發(fā)生的兩個事件，在另一個參考系看來是不同時的。②運動的時鐘變慢：時鐘相對于觀察者靜止時，走得快；相對于觀察者運動時，走得慢，運動速度越快，效果越明顯，Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\f(v,c)2))。③運動的尺子縮短：一個物體相對于觀察者靜止時，它的長度測量值最大；相對于觀察者運動時，觀察者在運動方向上觀測，它的長度要縮短，速度越快，縮得越短，l＝l0eq\r(1－\f(v,c)2)。④物體質(zhì)量隨速度的增加而增大，m＝eq\f(m0,\r(1－\f(v,c)2))。易錯易混點1.經(jīng)典力學與相對論的區(qū)別與聯(lián)系易混易錯點辨析：1.區(qū)別：比較項經(jīng)典力學相對論形成時期物理學形成的初期階段，受歷史發(fā)展限制，理論較膚淺、片面形成于物理學充分發(fā)展的現(xiàn)代，理論較完善、科學適用范圍低速運動，宏觀世界，弱引力作用任何情況都適用速度對質(zhì)量的影響物體的質(zhì)量不隨其速度的變化而變化物體的質(zhì)量隨其速度的增加而增大速度的合成時間與空間互不相干速度與位移、時間的測量有關(guān)2.聯(lián)系：(1)當物體的運動速度遠小于光速時，相對論物理學與經(jīng)典物理學的結(jié)論沒有區(qū)別。(2)相對論并沒有否定經(jīng)典力學，經(jīng)典力學是相對論在一定條件下的特殊情形。例1.下列說法正確的是()A.在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量不隨運動狀態(tài)而改變，在狹義相對論中，物體的質(zhì)量也不隨運動狀態(tài)而改變B.狹義相對論和經(jīng)典力學是完全不同、相互矛盾的兩個理論C.物體高速運動時，物體的運動服從狹義相對論，在低速運動時，物體的運動服從牛頓運動定律D.以上說法都是錯誤的解析：選C。在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量不隨運動狀態(tài)而改變，在狹義相對論中，物體的質(zhì)量隨物體運動速度的增大而增大，選項A錯誤；狹義相對論沒有否定經(jīng)典力學，經(jīng)典力學是狹義相對論在一定條件下的特殊情形，選項B錯誤；經(jīng)典力學適用于低速運動的物體，狹義相對論闡述物體在以接近光速運動時所遵循的規(guī)律，選項C正確.例2.(多選)牛頓運動定律能適用于下列哪些情形()A.研究原子中電子的運動 B.研究“神舟五號”飛船的高速發(fā)射C.研究地球繞太陽的運動 D.研究飛機從北京飛往紐約的航線解析：選BCD。牛頓運動定律只能用于“宏觀低速”的情形，這里的“宏觀”是相對于微觀粒子而言的.這里的“低速”是相對于光速而言的。原子、電子等是微觀粒子，它們的運動不服從牛頓運動定律，A錯誤；B、C、D選項中運動雖然是“高速”，但相對于光速來說，卻是微不足道的，完全可以用牛頓運動定律研究其規(guī)律，B、C、D正確。易錯易混點2.對象對論的理解易錯易混點辨析：1.兩個基本原理(1)相對性原理：所有物理規(guī)律在一切慣性參考系中都具有相同的形式，表明在任何慣性系中研究某個物體的某一運動過程，其運動規(guī)律形式不變.(2)光速不變原理：在一切慣性參考系中，測量到的真空中的光速c都一樣，表明了經(jīng)典時空觀與相對論時空觀的不同；比較如下：經(jīng)典時空觀相對論時空觀運動情況同一運動對不同參考系描述結(jié)果不同，即速度不同光在一切慣性參考系中傳向各個方向的速度不變時間與空間的關(guān)系時間均勻流逝，空間不變化，與運動情況及外部條件無關(guān)時間、空間都隨運動情況而改變幾個結(jié)論①同時的絕對性②時間間隔的絕對性③空間距離的絕對性④物體的質(zhì)量恒定不變①同時的相對性②運動的時鐘變慢③運動的尺子縮短④物體的質(zhì)量隨速度的增加而增大2.相對論時空觀的內(nèi)容認為時間和空間是相互聯(lián)系、相互影響的，并且與物質(zhì)的存在及運動有關(guān)。(1)長度收縮效應(yīng)：一把尺子，在相對于它靜止的參考系xOy中測得其長度為l(稱為靜止長度)，如圖3所示.當該尺子相對另一參考系x′O′y′(如地面)沿尺子長度方向以速度v運動時，在該參考系x′O′y′(如地面)中測得尺子長度為l′＝leq\r(1－\f(v,c)2)。由于v<c，所以l′<l，說明在相對尺子運動的參考系中測得的“運動長度”比在相對尺子靜止的參考系中測得的“靜止長度”短，即所謂的“長度收縮效應(yīng)”。當速度v?c時，l′＝l，這就回到了經(jīng)典物理學的結(jié)論——空間的尺度與物體的運動狀態(tài)無關(guān)。圖3(2)時間延緩效應(yīng)：在相對于地面以速度v勻速運動的參考系內(nèi)，測得該參考系中某一事件所經(jīng)歷的時間為Δt′，則在地面上測得該事件所經(jīng)歷的時間為：Δt＝eq\f(Δt′,\r(1－\f(v,c)2))。由于v<c，所以Δt>Δt′.即用同樣標準的鐘，在靜止參考系中測得的時間比在運動參考系中測得的時間長，好比是運動的鐘走“慢”了。當速度v?c時，Δt＝Δt′，這就回到了經(jīng)典物理學的結(jié)論——時間與物體的運動狀態(tài)無關(guān)。例3.半人馬星座α星是距離太陽系最近的恒星，它距地球為4.3×1016m.設(shè)有一宇宙飛船自地球往返于半人馬星座α星之間.若宇宙飛船的速度為0.999c，按地球上的時鐘計算，飛船往返一次需多長時間？如以飛船上的時鐘計算，往返一次的時間又為多長？解析：以地球上的時鐘計算：Δt＝eq\f(s,v)＝eq\f(2×4.3×1016,0.999×3×108)s≈2.87×108s≈9年若以飛船上的時鐘計算(原時)，因為Δt＝eq\f(Δt′,\r(1－\f(v,c)2))所以得Δt′＝Δteq\r(1－\f(v,c)2)＝2.87×108×eq\r(1－0.9992)s≈1.28×107s≈0.4年。例4.如圖4所示，有三個完全相同的時鐘，時鐘A放在地面上，時鐘B、C分別放在兩個火箭上，兩個火箭分別以速度vB和vC朝同一方向飛行，vB<vC.對于地面上的觀察者來說，以下說法中正確的是()圖4A.時鐘A走得最慢 B.時鐘B走得最慢C.時鐘C走得最慢 D.時鐘C走得最快解析：選C。根據(jù)相對論的時空觀，運動的時鐘變慢，其實質(zhì)是指在相對論中每位觀察者都有自身的時間測度，即如果一時鐘在天空高速飛馳，對靜止不動的觀察者來說似乎時鐘的時間走得慢了，時鐘飛馳得越快，時鐘的時間走得越慢。針對訓練1.(經(jīng)典力學的成就和局限性)(多選)20世紀以來，人們發(fā)現(xiàn)了一些新的事實，而經(jīng)典力學卻無法解釋.經(jīng)典力學只適用于解決物體的低速運動問題，不能用來處理高速運動問題；只適用于宏觀物體，一般不適用于微觀粒子，以下說法正確的是()A.隨著認識的發(fā)展，經(jīng)典力學已成了過時的理論B.人們對客觀事物的具體認識在廣度上是有局限性的C.不同領(lǐng)域的事物各有其本質(zhì)與規(guī)律D.人們應(yīng)當不斷拓展認識，在更廣闊的領(lǐng)域內(nèi)掌握不同事物的本質(zhì)與規(guī)律2.(經(jīng)典時空觀)(多選)下列說法中哪些屬于經(jīng)典時空觀的觀點()A.世界的過去、現(xiàn)在和將來都只有量的變化，而不會發(fā)生質(zhì)的變化B.時間和空間不依賴人們的意識而存在C.時間和空間是絕對的D.時間和空間是緊密聯(lián)系、不可分割的3.(相對論效應(yīng)的理解)如圖5所示，沿平直鐵路線有間距相等的三座鐵塔A、B和C.假想有一列車沿AC方向以接近光速行駛，當鐵塔B發(fā)出一個閃光，列車上的觀察者測得A、C兩鐵塔被照亮的順序是()圖5A.同時被照亮 B.A先被照亮C.C先被照亮 D.無法判斷4.(狹義相對論的應(yīng)用)如圖6所示，強強乘坐速度為0.9c(c為光速)的宇宙飛船追趕正前方的壯壯，壯壯的飛行速度為0.5c，強強向壯壯發(fā)出一束光進行聯(lián)絡(luò)，則壯壯觀測到該光束的傳播速度為()圖6A.0.4cB.0.5cC.0.9cD.c5.經(jīng)典力學不能適用于下列哪些運動()A.火箭的發(fā)射B.宇宙飛船繞地球的運動C.“勇氣號”宇宙探測器的運動D.以99%倍光速運行的電子束6.屬于狹義相對論基本假設(shè)的是：在不同的慣性系中()A.真空中光速不變B.時間間隔具有相對性C.物體的質(zhì)量不變D.物體的能量與質(zhì)量成正比7.一列火車以接近光速的速度從我們身邊飛駛而過，我們會感到車廂、車窗變窄了，而車廂、車窗的高度并沒有變化，那么車廂內(nèi)的人看路旁的電線桿間距將會()A.變窄B.變寬C.不變D.都有可能8.廣東省虎門大橋全長近15km，在500m高空有一架與大橋平行以接近光速飛行的飛機，飛機上人員看到大橋的長度將是()A.大于15km B.等于15kmC.小于15km D.無法確定9.以下說法正確的是()A.經(jīng)典力學理論普遍適用，大到天體，小到微觀粒子均適用B.經(jīng)典力學理論的成立具有一定的局限性C.在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量不隨運動狀態(tài)改變而改變D.相對論和量子力學否定了經(jīng)典力學理論10.如圖所示，假設(shè)一根10cm長的梭鏢以接近光速穿過一根10cm長靜止的管子，它們的長度都是在靜止狀態(tài)下測量的。以下敘述中最好地描述了梭鏢穿過管子情況的是()A.靜止的觀察者看到梭鏢收縮變短，因此在某個位置，管子能完全遮住梭鏢B.靜止的觀察者看到梭鏢變長，因此在某個位置，梭鏢從管子的兩