（2021新人教版）高中物理必修第二册第7章 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性讲义.doc

1、1/9 5相对论时空观与牛顿力学的局限性相对论时空观与牛顿力学的局限性 学习目标：学习目标：1.物理观念物理观念知道经典力学的概念及发展历程。知道经典力学的概念及发展历程。2.物理观念物理观念 知道经典力学的适用范围和局限性知道经典力学的适用范围和局限性。3.科学思维科学思维(1)知道爱因斯坦狭义相对论知道爱因斯坦狭义相对论 的基本假设。的基本假设。(2)知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。会分析时间延缓知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。会分析时间延缓 效应和长度收缩效应问题。效应和长度收缩效应问题。4.科学态度与责任科学态度与责任了解宇宙起源的大爆炸理论，了解宇宙起源的大爆炸理论，

2、 知道科学真理是相对的，未知世界必将在人类不懈地探索中被揭开更多的谜底知道科学真理是相对的，未知世界必将在人类不懈地探索中被揭开更多的谜底。 阅读本节教材，回答第阅读本节教材，回答第 65 页页“问题问题”并梳理必要知识点。并梳理必要知识点。 教材第教材第 65 页页“问题问题”提示：由迈克耳孙提示：由迈克耳孙莫雷实验知，激光的速度为光莫雷实验知，激光的速度为光速速 c。 一、相对论时空观一、相对论时空观 1爱因斯坦假设爱因斯坦假设 (1)在不同的在不同的惯性惯性参考系中参考系中，物理规律的形式都是物理规律的形式都是相同相同的的。 (2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是真空中的光速在不

3、同的惯性参考系中大小都是相同相同的的。 说明说明爱因斯坦的两个假设，特别是在此假设基础上得出的结论，经受住了实验的检验。这对于现代物理学和人类的思想发展都具有很大的影响。爱因斯坦的两个假设，特别是在此假设基础上得出的结论，经受住了实验的检验。这对于现代物理学和人类的思想发展都具有很大的影响。 2时间和空间的相对性时间和空间的相对性 (1)时间延缓效应时间延缓效应 如果相对于地面以如果相对于地面以 v 运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体 完成某个动作的时间间隔为完成某个动作的时间间隔为，地面上的人观察到该物体完成这个动作的时间地面上的人观

4、察到该物体完成这个动作的时间 间隔为间隔为t，那么两者之间的关系是那么两者之间的关系是t 1 v c 2。 由于物体的速度不可能达到光速由于物体的速度不可能达到光速，所以所以 1 v c 2 1，总有总有t，此种情况此种情况 称为时间延缓效应称为时间延缓效应。 (2)长度收缩效应长度收缩效应 如果与杆相对静止的人测得杆长是如果与杆相对静止的人测得杆长是 l0，沿着杆的方向沿着杆的方向，以以 v 相对杆运动的人相对杆运动的人 2/9 测得杆长是测得杆长是 l，那么两者之间的关系是那么两者之间的关系是 ll01 v c 2 。 由于由于 1 v c 2 1，所以总有所以总有 ll0，此种情况称为长

5、度收缩效应此种情况称为长度收缩效应。 3相对论时空观相对论时空观 t 1 v c 2和和 ll01 v c 2 表明运动物体的长度表明运动物体的长度(空间距离空间距离)和物理过程的和物理过程的 快慢快慢(时间进程时间进程)都跟物体的都跟物体的运动状态运动状态有关有关。它所反映的时空观称作相对论时空它所反映的时空观称作相对论时空 观观。 二、牛顿力学的成就与局限性二、牛顿力学的成就与局限性 1牛顿力学的成就：牛顿力学的成就：从地面上物体的运动到天体的运动从地面上物体的运动到天体的运动， ，都服从都服从牛顿力学牛顿力学 的规律的规律。 2牛顿力学的局限性：牛顿力学的局限性： (1)微观世界：电子微

6、观世界：电子、质子质子、中子等微观粒子中子等微观粒子，它们不仅具有粒子性它们不仅具有粒子性，同时同时 还具有波动性还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明它们的运动规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明。 (2)牛顿力学只适用于牛顿力学只适用于低速低速运动运动，不适用于不适用于高速高速运动运动。 1思考判断思考判断(正确的打正确的打“”“”，错误的打错误的打“”“”) (1)在经典力学中在经典力学中，位移的测量与参考系的运动情况无关位移的测量与参考系的运动情况无关。() (2)在相对论力学中在相对论力学中，运动的时钟和静止的时钟快慢相同运动的时钟和静止的时钟快慢相同。() (

7、3)经典力学一般不适用于微观粒子经典力学一般不适用于微观粒子。() (4)对于宏观物体的低速运动问题对于宏观物体的低速运动问题，相对论相对论、量子力学与经典力学是一致的量子力学与经典力学是一致的。 () 2下列物体的运动不能用经典力学描述的是下列物体的运动不能用经典力学描述的是( ) A飞机的飞行飞机的飞行B人造卫星的运行人造卫星的运行 C小汽车的行驶小汽车的行驶D光子的运动光子的运动 D经典力学适用于低速宏观的物体经典力学适用于低速宏观的物体，A、B、C 不符合题意不符合题意，选项选项 D 符合符合 题意，故题意，故 D 正确。正确。 3关于经典力学的局限性关于经典力学的局限性，下列说法正确

8、的是下列说法正确的是() A火车提速后火车提速后，有关速度问题不能用经典力学来处理有关速度问题不能用经典力学来处理 3/9 B由于经典力学有局限性由于经典力学有局限性，所以一般力学问题都用相对论力学来解决所以一般力学问题都用相对论力学来解决 C经典力学适用于宏观低速运动的物体经典力学适用于宏观低速运动的物体 D经典力学只适用于像地球和太阳那样大的宏观物体经典力学只适用于像地球和太阳那样大的宏观物体 C经典力学有局限性，经典力学适用于宏观低速运动的物体，但对于一经典力学有局限性，经典力学适用于宏观低速运动的物体，但对于一 般力学问题仍能用经典力学来解决般力学问题仍能用经典力学来解决， 所以即使在

9、火车提速后所以即使在火车提速后， 有关速度问题仍能有关速度问题仍能 用经典力学来处理用经典力学来处理，故故 A、B 错误错误，C 正确正确；经典力学不仅适用于像地球和太阳经典力学不仅适用于像地球和太阳 那样大的宏观物体，也适用一般尺寸的宏观物体，故那样大的宏观物体，也适用一般尺寸的宏观物体，故 D 错误。错误。 相对论时空观的理解相对论时空观的理解 (教师用书独具教师用书独具)教材第教材第 67 页页“思考与讨论思考与讨论”答案提示：以答案提示：以子为参考系子为参考系， 子的平均寿命为子的平均寿命为 3.0 s。 以地面为参考系以地面为参考系，子的平均寿命为子的平均寿命为 21.3 s。 如图

10、所示如图所示，静止在地球上的人测得地月之间的距离为静止在地球上的人测得地月之间的距离为 l0，坐在从地球高速飞坐在从地球高速飞 往月球的飞船里的宇航员测得地月之间的距离仍为往月球的飞船里的宇航员测得地月之间的距离仍为 l0吗？吗？ 提示：提示：不是，宇航员测得的地月之间的距离小于不是，宇航员测得的地月之间的距离小于 l0。 1狭义相对论的两个假设狭义相对论的两个假设 在经典力学中在经典力学中，v船岸 船岸 v船水 船水 v水岸 水岸成立 成立，但在两个不同参考系中但在两个不同参考系中，爱因斯坦爱因斯坦 认为该式不成立认为该式不成立。1905 年年，爱因斯坦提出了两条基本假设爱因斯坦提出了两条基

11、本假设(狭义相对论的基础狭义相对论的基础)。 (1)相对性原理相对性原理 物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。 (2)光速不变原理光速不变原理 在一切惯性参考系中在一切惯性参考系中，测得的真空中的光速测得的真空中的光速 c 都相同都相同。 例如例如：在粒子对撞机中在粒子对撞机中，有一个电子经过加速器加速后有一个电子经过加速器加速后，速度可达到光速的速度可达到光速的 4/9 1 2。 。此时由于电子的速度接近光速此时由于电子的速度接近光速，所以质量变化明显所以质量变化明显，根据爱因斯坦狭义相对根据爱因斯坦狭义相对 论中运动质量与静止质量的关系得论

12、中运动质量与静止质量的关系得 m m0 1v 2 c2 m0 11 4 m0 3 4 2m0 3 1.155m0。 2爱因斯坦假设中的主要效应爱因斯坦假设中的主要效应 (1)时间延缓效应：运动时钟会变慢时间延缓效应：运动时钟会变慢，即即t 1v 2 c2 。 (2)长度收缩效应：运动长度长度收缩效应：运动长度 l 会收缩会收缩，即即 ll01v 2 c2。 。 【例【例 1】地面上长地面上长 100 km 的铁路上空有一火箭沿铁路方向以的铁路上空有一火箭沿铁路方向以 30 km/s 的的 速度掠过速度掠过，则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少？如果火箭的速度达则火箭上的人看到铁路的长度应该为多

13、少？如果火箭的速度达到到 0.6c，则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少？则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少？ 解析解析当火箭速度较低时，长度基本不变，还是当火箭速度较低时，长度基本不变，还是 100 km。 当火箭的速度达到当火箭的速度达到 0.6c 时，由相对论长度公式时，由相对论长度公式 ll01 v c 2 代入相应的数据解得代入相应的数据解得 l100 10.62km80 km。 答案答案100 km80 km 由公式由公式 ll01 v c 2 知知，相对于地面以速度相对于地面以速度 v 运动的物体运动的物体，从地面上看从地面上看， 沿着运动方向上的长度变短了沿着运动方向上的长度

14、变短了，速度越大速度越大，变短得越多变短得越多。, ,两种情况：两种情况： 1 在垂直于运动方向不发生长度收缩效应现象在垂直于运动方向不发生长度收缩效应现象。 2 我们平常观察不到这种长度收缩效应我们平常观察不到这种长度收缩效应，是因为我们生活在比光速低得多是因为我们生活在比光速低得多 的低速世界里的低速世界里，长度收缩效应极不明显长度收缩效应极不明显，即使运动物体的速度达到即使运动物体的速度达到 v30 000 km/s 即即 0.1c ， 长度收缩效应也只不过是长度收缩效应也只不过是 5%， 因此因此， 在低速运动中在低速运动中， vc， ll0， 长度收缩效应可忽略不计长度收缩效应可忽略

15、不计。 跟进训练跟进训练 5/9 1 (对时间延缓效应的理解对时间延缓效应的理解)A、 B 两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处， vAvB，在火箭在火箭 A 上的人观察到的结果正确的是上的人观察到的结果正确的是() A火箭火箭 A 上的时钟走得最快上的时钟走得最快 B地面上的时钟走得最快地面上的时钟走得最快 C火箭火箭 B 上的时钟走得最快上的时钟走得最快 D火箭火箭 B 上的时钟走得最慢上的时钟走得最慢 A在火在火箭箭A上的人看来上的人看来， 地面和火地面和火箭箭B都高速远离自己都高速远离自己， 由由t 1 v c 2 知知，在火箭在火箭 A 上的人观察

16、到的结果是地面和火箭上的人观察到的结果是地面和火箭 B 上的时钟都变慢了上的时钟都变慢了，且且 vA vB，故地面上的时钟最慢，故，故地面上的时钟最慢，故 A 正确，正确，B、C、D 错误。错误。 2(对长度收缩效应的理解对长度收缩效应的理解)某宇航员要到离地球某宇航员要到离地球 5 光年的星球上去旅行 光年的星球上去旅行， 如果地球指挥中心希望把这路程缩短为如果地球指挥中心希望把这路程缩短为 3 光年光年， 则他所乘飞船相对地球的速度为则他所乘飞船相对地球的速度为 () A0.5cB0.6c C0.8cD0.9c C由由 ll01 v c 2 ， l l0 3 5，解得 ，解得 v4 5c，

17、故 ，故 C 正确。正确。 牛顿力学的局限性牛顿力学的局限性 粒子对撞机可以把质子加速到接近于光速粒子对撞机可以把质子加速到接近于光速， 如图所示如图所示。 经典力学是否适用于经典力学是否适用于 质子的运动规律？如何研究质子的运动规律？质子的运动规律？如何研究质子的运动规律？ 提示提示：不适用不适用。经典力学只适用于宏观低速运动经典力学只适用于宏观低速运动，描述微观高速粒子的运动描述微观高速粒子的运动 要用到量子力学。要用到量子力学。 经典力学与相对论、量子力学的比较经典力学与相对论、量子力学的比较 6/9 (1)区别区别 经典力学适用于低速运动的物体经典力学适用于低速运动的物体； 相对论是爱

18、因斯坦假设阐述物体在以接相对论是爱因斯坦假设阐述物体在以接 近光速运动时所遵循的规律近光速运动时所遵循的规律。 经典力学适用于宏观世界；量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律经典力学适用于宏观世界；量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律。 (2)联系联系 当物体的运动速度远小于光速时当物体的运动速度远小于光速时， 相对论物理学与经典物理学的结论没有相对论物理学与经典物理学的结论没有 区别区别。 当另一个重要常量即当另一个重要常量即“普朗克常量普朗克常量”可以忽略不计时可以忽略不计时， 量子力学和经典力量子力学和经典力 学的结论没有区别学的结论没有区别。 相对论和量子力学并没有否定经典力学相对论

19、和量子力学并没有否定经典力学， 经典力学是二者在一定条件下的经典力学是二者在一定条件下的 特殊情形特殊情形。 【例【例 2】关于经典力学关于经典力学、爱因斯坦假设和量子力学爱因斯坦假设和量子力学，下列说法中正确的是下列说法中正确的是 () A爱因斯坦假设和经典力学是相互对立爱因斯坦假设和经典力学是相互对立、互不相容的两种理论互不相容的两种理论 B经典力学包含于相对论之中经典力学包含于相对论之中，经典力学是相对论的特例经典力学是相对论的特例 C经典力学只适用于宏观物体的运动经典力学只适用于宏观物体的运动，量子力学只适用于微观粒子的运动量子力学只适用于微观粒子的运动 D不论是宏观物体不论是宏观物体

20、，还是微观粒子还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的经典力学和量子力学都是适用的 B相对论没有否定经典力学，经典力学是相对论在一定条件下的特殊情相对论没有否定经典力学，经典力学是相对论在一定条件下的特殊情 形形，选项选项 A 错误错误，B 正确正确；经典力学适用于宏观经典力学适用于宏观、低速低速、弱引力的领域弱引力的领域，选项选项 C、 D 错误。错误。 跟进训练跟进训练 3(牛顿力学与相对论理论的创立牛顿力学与相对论理论的创立)(多选多选)继哥白尼提出继哥白尼提出“太阳中心说太阳中心说”、开开 普勒提出行星运动三定律后普勒提出行星运动三定律后，牛顿站在牛顿站在“巨人巨人”的肩膀上的肩膀上

21、，创立了牛顿力学创立了牛顿力学，揭揭 示了包括行星在内的宏观物体的运动规律；爱因斯坦既批判了牛顿力学的不足示了包括行星在内的宏观物体的运动规律；爱因斯坦既批判了牛顿力学的不足， 又进一步发展了牛顿力学又进一步发展了牛顿力学，创立了相对论创立了相对论，这说明这说明() A世界无限扩大世界无限扩大，人不可能认识世界人不可能认识世界 B人的意识具有能动性人的意识具有能动性，能够正确地反映客观世界能够正确地反映客观世界 C人对世界的每一个正确认识都有局限性人对世界的每一个正确认识都有局限性，需要发展和深化需要发展和深化 D每一个认识都可能被后人推翻每一个认识都可能被后人推翻，人不可能获得正确的认识人不

22、可能获得正确的认识 BC任何一个人对客观世界的认识都要受当时的客观条件和科学水平的任何一个人对客观世界的认识都要受当时的客观条件和科学水平的 7/9 制约制约， 所以形成的所以形成的“正确理论正确理论”都有一定的局限性都有一定的局限性， 爱因斯坦的相对论理论是对爱因斯坦的相对论理论是对 牛顿力学理论的发展和深化牛顿力学理论的发展和深化，但也有人正在向爱因斯坦理论挑战但也有人正在向爱因斯坦理论挑战。故选项故选项 B、C 正确。正确。 4(牛顿力学的适用范围和局限性牛顿力学的适用范围和局限性)关于牛顿力学的适用范围和局限性关于牛顿力学的适用范围和局限性， ，下下 列说法正确的是列说法正确的是()

23、A牛顿力学过时了牛顿力学过时了，应该被量子力学所取代应该被量子力学所取代 B由于超音速飞机的速度太大由于超音速飞机的速度太大，其运动不能用牛顿力学来解释其运动不能用牛顿力学来解释 C人造卫星的运动不适合用牛顿力学来描述人造卫星的运动不适合用牛顿力学来描述 D当物体的速度接近光速时当物体的速度接近光速时，其运动规律不适合用牛顿力学来描述其运动规律不适合用牛顿力学来描述 D牛顿力学没有过时，在低速宏观问题中仍然适用，故牛顿力学没有过时，在低速宏观问题中仍然适用，故 A 错误；超音速错误；超音速 飞机的速度远低于光速，其运动能用牛顿力学来解释，故飞机的速度远低于光速，其运动能用牛顿力学来解释，故 B

24、 错误；人造卫星的错误；人造卫星的 运动速度远低于光速，适合用牛顿力学来描述，故运动速度远低于光速，适合用牛顿力学来描述，故 C 错误；当物体的速度接近错误；当物体的速度接近 光速时，其运动规律不适合用牛顿力学来描述，故光速时，其运动规律不适合用牛顿力学来描述，故 D 正确。正确。 1对于时空观的认识对于时空观的认识，下列说法正确的是下列说法正确的是() A相对论给出了物体在低速运动时所遵循的规律相对论给出了物体在低速运动时所遵循的规律 B相对论具有普遍性相对论具有普遍性，经典物理学为它在低速运动时的特例经典物理学为它在低速运动时的特例 C相对论的出现使经典物理学在自己的适用范围内不再继续发挥

25、作用相对论的出现使经典物理学在自己的适用范围内不再继续发挥作用 D经典物理学建立在实验的基础上经典物理学建立在实验的基础上，它的结论又受到无数次实验的检验它的结论又受到无数次实验的检验， 因此在任何情况下都适用因此在任何情况下都适用 B相对论给出了物体在高速运动时所遵循的规律相对论给出了物体在高速运动时所遵循的规律， 经典物理学为它在低速经典物理学为它在低速 运动时的特例运动时的特例， 在自己的适用范围内还将继续发挥作用在自己的适用范围内还将继续发挥作用。 经典物理学有简捷的优经典物理学有简捷的优 势。因此势。因此 A、C、D 错误，错误，B 正确。正确。 8/9 2(多选多选)在地面附近有一

26、高速飞过的火箭在地面附近有一高速飞过的火箭，关于地面上的人和火箭中的人关于地面上的人和火箭中的人 观察到的现象中正确的是观察到的现象中正确的是() A地面上的人观察到火箭变短了地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变快了火箭上的时间进程变快了 B地面上的人观察到火箭变短了地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变慢了火箭上的时间进程变慢了 C火箭上的人观察到火箭的长度和时间进程均无变化火箭上的人观察到火箭的长度和时间进程均无变化 D火箭上的人看地面上的物体长度变短火箭上的人看地面上的物体长度变短，时间进程变慢了时间进程变慢了 BCD因为因为 ll01 v c 2 和和t 1 v c

27、2， ，可知可知 ll0，t。一个相一个相 对地面做高速运动的惯性参考系中发生的物理过程对地面做高速运动的惯性参考系中发生的物理过程， 在地面上的人看来在地面上的人看来， 火箭的火箭的 长度变短了，它所经历的时间比在这个惯性参考系中直接观察到的时间变长了长度变短了，它所经历的时间比在这个惯性参考系中直接观察到的时间变长了， 惯性参考系速度越大惯性参考系速度越大，观察到的火箭的长度越短观察到的火箭的长度越短，所经历的过程时间越长所经历的过程时间越长。火箭火箭 上的人观察到火箭的长度和时间进程均无变化上的人观察到火箭的长度和时间进程均无变化。 同样同样， 火箭上的人看地面上的物火箭上的人看地面上的

28、物 体长度也是变短，时间进程变慢了，选项体长度也是变短，时间进程变慢了，选项 B、C、D 正确。正确。 3(多选多选)经典力学规律适用于下列运动的是经典力学规律适用于下列运动的是( ) A子弹的飞行子弹的飞行B飞船绕地球的运行飞船绕地球的运行 C列车的运行列车的运行D粒子接近光速的运动粒子接近光速的运动 ABC经典力学的适用范围是宏观、低速情形，子弹的飞行、飞船绕地球经典力学的适用范围是宏观、低速情形，子弹的飞行、飞船绕地球 的运行的运行、列车的运动列车的运动，经典力学能适用经典力学能适用，故故 A、B、C 正确正确；对于微观对于微观、高速的高速的 情形经典力学不适用，故情形经典力学不适用，故

29、 D 错误。错误。 4 如图所示如图所示， 强强乘坐速度为强强乘坐速度为 0.9c(c 为光速为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮的宇宙飞船追赶正前方的壮壮， 壮壮的飞行速度为壮壮的飞行速度为 0.5c， 强强向壮壮发出一束光进行联络强强向壮壮发出一束光进行联络， 则壮壮观测到该光束则壮壮观测到该光束 的传播速度为的传播速度为() A0.4cB0.5cC0.9cD1.0c D根据光速不变原理，在一切惯性参考系中测量到真空中的光速根据光速不变原理，在一切惯性参考系中测量到真空中的光速 c 都一都一 样样，而壮壮所处参考系即为惯性参考系而壮壮所处参考系即为惯性参考系，因此壮壮观察到的光速为因此壮壮观

30、察到的光速为 1.0c，选项选项 D 正确。正确。 5情境：明明同学站在一条长木杆的中央附近情境：明明同学站在一条长木杆的中央附近，并且看到木杆落在地上时并且看到木杆落在地上时 9/9 是两头同时落地是两头同时落地， 所以明明同学认为这木杆是平着落到了地上所以明明同学认为这木杆是平着落到了地上， 而此时飞飞同学而此时飞飞同学 正以接近光速的速度从木杆前面掠过正以接近光速的速度从木杆前面掠过，如图所示如图所示。 问题：飞飞看到杆哪一端先落地？问题：飞飞看到杆哪一端先落地？ 解析解析站在一条长木杆的中央附近的明明同学看到木杆落在地上时是两站在一条长木杆的中央附近的明明同学看到木杆落在地上时是两 头同时落地头同时落地； 飞飞同学正以接近光速的速度从木杆前面掠过飞飞同学正以接近光速的速度从木杆前面掠过， 飞飞同学以自己为飞飞同学以自己为 参考系参考系， 认为杆以接近光速的速度向左运动的同时在下落认为杆以接近光速的速度向左运动的同时在下落， 根据狭义相对论的长根据狭义相对论的长 度收缩效应度收缩效应，杆的长度变短了杆的长度变短了，但竖直高度不变但竖直高度不变，杆两端仍然是在同一个时刻落杆两端仍然是在同一个时刻落 地。地。 答案答案两端同时落地两端同时落地