2022-2023學年高一物理同步講義（人教 ）7.5相對論時空觀與牛頓力學的局限性（學生版）

第七章萬有引力與宇宙航行第5課相對論時空觀與牛頓力學的局限性目標導航目標導航課程標準核心素養(yǎng)1.了解相對論時空觀，知道時間延緩效應和長度收縮效應.2.認識牛頓力學的成就、適用范圍及局限性.3.了解科學理論的相對性，體會科學理論是不斷發(fā)展和完善的．1、物理觀念：相對論時空觀。2、科學思維：時間延緩效應，長度收縮效應。3、科學探究：愛因斯坦的假設。4、科學態(tài)度與責任：牛頓力學的成就與局限性。知識精講知識精講知識點01相對論時空觀1．19世紀，英國物理學家麥克斯韋根據(jù)電磁場理論預言了的存在，并證明電磁波的傳播速度等于．2．1887年的邁克耳孫—莫雷實驗以及其他一些實驗表明：在不同的參考系中，光的傳播速度都是的．3．愛因斯坦假設：在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是的；真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是的．4．時間延緩效應：完成同一動作，在慣性參考系上的時間間隔Δτ和在地面上的人的時間間隔Δt之間的關系是Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))\s\up12(2))).由于1－eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up12(2)<1，所以總有Δt>Δτ，此種情況稱為時間延緩效應．5．長度收縮效應：如果與桿相對靜止的人測得桿長是l0，沿著桿的方向，以v相對桿運動的人測得桿長是l，那么兩者之間的關系是l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))\s\up12(2)).由于1－eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up12(2)<1，所以總有l(wèi)<l0，此種情況稱為長度收縮效應．6．相對論時空觀：運動物體的長度(空間距離)和物理過程的快慢(時間進程)都跟物體的運動狀態(tài)有關．【即學即練1】A、B兩火箭沿同一方向高速飛過地面上的某處，vA＞vB，在地面上的人觀察到的結果正確的是()A．火箭A上的時鐘走得最快B．地面上的時鐘走得最快C．火箭B上的時鐘走得最快D．火箭B上的時鐘走得最慢知識點02牛頓力學的成就與局限性1．電子、質子、中子等微觀粒子不僅具有粒子性，同時還具有波動性，它們的運動規(guī)律在很多情況下不能用經典力學來說明，而量子力學能夠正確地描述微觀粒子的運動規(guī)律．2．經典力學的適用范圍：只適用于低速運動，不適用于高速運動；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界．【即學即練2】一艘太空飛船靜止時的長度為30m，它以0.6c(c為光速)的速度沿長度方向飛行越過地球，下列說法正確的是()A．飛船上的觀測者測得該飛船的長度小于30mB．地球上的觀測者測得該飛船的長度小于30mC．飛船上的觀測者測得地球上發(fā)來的光信號速度小于cD．地球上的觀測者測得飛船上發(fā)來的光信號速度小于c能力拓展能力拓展考法01相對論時空觀1．低速與高速(1)低速：通常所見物體的運動，如行駛的汽車、發(fā)射的導彈、人造地球衛(wèi)星及宇宙飛船等物體皆為低速運動的物體．(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．2．相對論的兩個效應(1)時間延緩效應：運動的時鐘會變慢，即Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－(\f(v,c))2)).(2)長度收縮效應：運動長度會收縮，即l＝l0eq\r(1－(\f(v,c))2).【典例1】兩個慣性系S和S′，沿x(x′)軸方向做勻速相對運動．設S′在系中某點先后發(fā)生兩個事件，用靜止于該系的鐘測出兩事件的時間間隔為τ0,而用固定在S系的鐘測出這兩個事件的時間間隔為τ.又在S′系x′軸上放置一靜止于該系長度為l0的細桿，從S系測得此桿的長度為l，則判斷τ與τ0，l與l0的大小關系．考法02牛頓力學的成就與局限性1．牛頓力學的局限性及適用范圍(1)牛頓力學適用于低速運動的物體，相對論闡述了物體在以接近光速運動時所遵循的規(guī)律．(2)牛頓力學適用于宏觀世界，量子力學能夠正確描述微觀粒子的運動規(guī)律．2．相對論和量子力學沒有否定牛頓力學(1)當物體的運動速度遠小于光速時，相對論物理學與牛頓力學的結論沒有區(qū)別；(2)當另一個重要常數(shù)即普朗克常量可以忽略不計時，量子力學和牛頓力學的結論沒有區(qū)別．(3)相對論和量子力學并沒有否定牛頓力學，牛頓力學是二者在一定條件下的特殊情形．【典例2】關于經典力學，下列說法中正確的是()A．相對論與量子力學否定了經典力學理論B．經典力學可以解決自然界中所有的問題C．經典力學適用于微觀領域質子、電子的運動D．經典力學適用于發(fā)射的導彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船的運動分層提分分層提分題組A基礎過關練1．關于牛頓力學、相對論和量子力學，下列說法中正確的是（）A．相對論和牛頓力學是相互對立、互不相容的兩種理論B．在物體高速運動時，相對論適用于物體的運動規(guī)律；在物體低速運動時，牛頓運動定律適用于物體的運動規(guī)律C．牛頓力學適用于宏觀物體的運動，也適用于微觀粒子的運動D．不論是宏觀物體，還是微觀粒子，牛頓力學和量子力學都是適用的2．愛因斯坦在物理學中的重要貢獻有（）A．發(fā)現(xiàn)萬有引力定律 B．建立狹義相對論C．首次測定元電荷的電荷量 D．最早發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象3．絕對真理是不存在的，物理規(guī)律總是在一定的范圍內成立。如牛頓運動定律的適用范圍是（）A．宏觀物體的運動 B．微觀粒子的運動C．宏觀物體的低速運動 D．微觀粒子的低速運動4．在物理學發(fā)展過程中，許多物理學家做出了巨大貢獻，下列說法正確的是（）A．牛頓通過實驗驗證了牛頓第一定律B．法拉第提出了電場的概念C．相對論時空觀不能通過實驗驗證D．伽利略通過實驗證明了自由落體運動是勻變速直線運動5．美國科學家2016年2月11日宣布，他們探測到引力波的存在，引力波是實驗驗證愛因斯坦相對論的最后一塊缺失的“拼圖”，相對論在一定范圍內彌補了牛頓力學的局限性。關于牛頓力學，下列說法正確的是（）A．牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律但沒有測出引力常量B．牛頓力學取得了巨大成就，適用于一切領域C．兩物體間的萬有引力總是質量更大的物體受到的萬有引力大D．由于相對論、量子論的提出，牛頓力學已經失去了它的應用價值6．物理學的發(fā)展豐富了人類對物質世界的認識，推動了科學技術的創(chuàng)新和革命，促進了物質生產的繁榮與人類文明的進步，下列表述正確的是（）A．牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律B．伽利略通過實驗測出了萬有引力常量的數(shù)值C．勻速圓周運動中速度和加速度均不變D．經典力學在所有情況下均能使用題組B能力提升練7．離開地面6km高空存在某μ子源，產生的μ子以0.99c（c為真空中光速）飛向地面。已知μ子的靜止壽命為3.0×10-6s。地面能收到該源的μ子，則（）A．高速μ子的壽命大于3.0×10-6sB．高速μ子的壽命等于3.0×10-6sC．μ子參考系下觀察到離地距離大于6kmD．μ子參考系下觀察到離地距離等于6km8．某星際飛船正在遙遠的外太空飛行，假如它的速度可以達到0.7c，在地球上觀測到其經過8.76×104h的時間到達某星球，則在飛船上的人看來，其到達此星球需要的時間是（）A．8.76×104h B．6.26×104hC．12.27×104h D．16.52×104h9．（多選）關于牛頓力學理論，下列說法正確的是（）A．牛頓力學是物理學和天文學的基礎，也是現(xiàn)代工程技術的理論基礎B．牛頓力學的理論體系是經過幾代科學家長期的探索，歷經曲折才建立起來的C．牛頓力學具有豐富的理論成果，也建立了驗證科學的方法體系D．當物體運動速度很大（v→c）時，牛頓力學理論所得的結果與實驗結果相符合10．（多選）如圖甲所示，質子束被加速到接近光速；如圖乙所示，中子星是質量、密度非常大的星體。下列說法正確的是（）A．牛頓力學適用于質子束的運動規(guī)律B．牛頓力學不適用于質子束的運動規(guī)律C．牛頓力學適用于中子星的引力規(guī)律D．牛頓力學不適用于中子星的引力規(guī)律11．（多選）設某人在速度為0.5c的飛船上打開一個光源，則下列說法正確的是（

）A．飛船正前方地面上的觀察者觀察這一光速為1.5cB．飛船正后方地面上的觀察者觀察這一光速為0.5cC．在垂直飛船前進方向地面上的觀察者觀察這一光速是cD．在地面上任何地方的觀察者看到的光速都是c12．（多