高中物理人教版 (2019)必修 第二册5 相对论时空观与牛顿力学的局限性学案

7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性学案

【学习目标】

1.知道以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围。

2.知道相对论、量子力学和经典力学的关系。

3.通过对牛顿力学适用范围的讨论，使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围，认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神。

【重点难点】

重点：了解经典力学的局限性。

难点：了解相对论、量子力学与经典力学的关系。

【自主学习】

1.经典力学的基础是_________，牛顿运动定律和万有引力定律在_________、_________、_________的广阔领域，包括_________的研究中，经受了实践的检验，取得了巨大的成就。

2.狭义相对论阐述物体在以_____________运动时所遵从的规律。

3.在经典力学中，物体的质量是_________的，而狭义相对论指出，质量要随着物体运动

速度的增大而____________，即m=_________，两者在___________的条件下是统一的。

4.经典力学认为位移和时间的测量与参考系____________，相对论认为，同一过程的位移和时间的测量与参考系___________，在不同的参考系中____________。

5.19世纪末20世纪初，物理学研究深入到微观世界，发现了电子、质子、中子等微观粒子，而且发现它们不仅具有_________，同时还具有___________。20世纪20年代，__________建立，它能够很好地描述微观粒子运动的规律性，并在现代科学技术中发挥了重要作用。

6.经典力学的适用范围：只适用于___________运动，不适用于________运动；只适用于世________界，不适用于___________世界。

【重难详解】

【探究一】绝对时空观

1.惯性系与非惯性系

（1）惯性系：凡是牛顿运动定律成立的参考系；相对于惯性系做匀速直线运动的参考系也是惯性系。

（2）非惯性系：牛顿运动定律不成立的参考系；相对于惯性系做变速运动的参考系是非惯性系。

（3）对于所有的惯性系，力学规律都是相同的，或者说，一切惯性系都是等效的。

2.绝对时空观

（1）时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的。

（2）时间和空间跟任何外界物质的存在及其运动情况无关，是绝对不变的，且彼此独立。

3.绝对时空观的举例说明

（1）同时的绝对性。就是说，在两个不同地点发生的两个事件，只要对一个惯性参考系来说是同时的，那无论对什么惯性参考系来说都是同时的，例如，有一辆做匀速直线运动的火车，车厢内观察者看到两个事件是同时发生的，那站在站台上的观察者也必定看到两个事件是同时发生的，反过来说也如此。在这点上，经典时空观与人们的日常生活经验似乎是一致的。

（2）时间间隔的绝对性。例如一个人看到自己的手表走过一分钟，往往以为世界上所的钟和表也都同样地走过一分钟，而不管是在哪一种运动状态的钟。这就是时间间隔的绝对性。

（3）空间距离的绝对性。例如一把直尺的长度，如果从某一个参考系测量它是一尺。那么，我们的日常经验会以为从任何参考系来测量它，它仍旧是一尺，而与参考系的运动状态无关。

【探究二】

1.爱因斯坦的两个假设
（1）狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。
（2）光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。
2.时间延缓效应
（1）时间延缓效应：运动时钟会变慢，即
（2）运动的时钟变慢，其实质是指在相对论中每位观察者都有自身的时间测度，即如果一时钟在天空高速飞驰，对静止不动的观察者来说似乎钟的时间走得慢了。时钟飞驰得越快，钟的时间走得越慢。

3.长度收缩效应
（1）长度收缩效应：运动长度l会收缩，即
（2）运动的尺子缩短，即物体运动起来以后，运动的物体沿运动方向收缩，长度变短。尺缩和钟慢一样，是对称的。表示空间的大小并不是绝对的，而是相对的。
4.相对论时空观
（1）空间和时间与物体的运动状态有关。
（2）同时是相对的，即在同一个参考系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个参考系中不一定是同时的。

【巩固练习】

1.与相对论有关的问题，下列说法正确的是(   )

A.火箭内有一时钟，当火箭高速运动后，此火箭内观察者发现时钟变慢了

B.力学规律在任何惯性参考系中都是相同的

C.一根沿自身长度方向运动的杆，其长度总比静止时的长度要长些

D.高速运动物体的质量会变小

2.下列叙述中属于狭义相对论时空观内容的是(   )

A.在任何惯性系中，测得的真空中的光速都相同

B.在不同的参考系中，测得的真空中的光速不同

C.同一物体的长度，在任何参考系中测量都是相同的

D.同一物体的质量，在不同的参考系中测量都是相同的

3.根据相对论的知识分析，下列说法正确的是(   )

A.经过太阳周边的光线弯曲是由于介质不均匀而非引力作用

B.由于太阳引力场的影响，我们有可能看到太阳后面的恒星

C.引力场越强的位置，时间进程越快

D.广义相对论可以解释引力红移现象

4.日常生活中，我们并没有发现物体的质量随物体运动的速度变化而变化，其原因是(   )

A.运动中物体无法称量质量 B.物体的速度远小于光速，质量变化极小

C.物体的质量太大  D.物体的质量不随速度的变化而变化

5.有一把长为L的尺子竖直放置，现让这把尺子沿水平方向以接近光的速度运行，运行过程中尺子始终保持竖直，那么我们此时再测量该尺子的长度将(   )

A.大于L B.小于L C.等于L D.无法测量

6.随着科学技术的发展，人类遨游太空终究会实现。如果某飞船在以的速度飞行靠近某一星球时，发出一光源信号提示该星球上的人。假设所有的星球均相对静止，c为光在真空中的速度。则下列说法正确的是(   )

A.该星球上的人看到的光源信号的速度为

B.该星球上的人看到的光源信号的速度为c

C.地球上的人看到的光源信号的速度为c

D.飞船正后方的某星球上的人看到的光源信号的速度为

7.500米口径的中国天眼（FAST）是世界上已建成的最大的射电望远镜，可监测脉冲星，探测引力波的存在。而引力波是实验验证爱因斯坦相对论的最后一块“拼图”。关于牛顿力学、相对论和量子力学，下列说法正确的是(   )

A.牛顿力学适用于研究宏观物体的低速运动

B.由于相对论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值

C.高速运动的μ子寿命变长这一现象，既能用相对论时空观解释，又能用经典理论解释

D.不论是宏观物体，还是微观粒子，牛顿力学和量子力学都是适用的

8.关于牛顿力学、相对论、量子力学，下列说法正确的是(   )

A.不论是对宏观物体，还是对微观粒子，牛顿力学和量子力学都是适用的

B.牛顿力学适用于低速运动的物体，相对论适用于高速运动的物体

C.牛顿力学适用于宏观物体的运动，量子力学适用于微观粒子的运动

D.相对论与量子力学否定了牛顿力学理论

9.有两个对准的标准钟，一个留在地面上，另一个放在高速飞行的飞船上，则下列说法正确的是(   )

A.飞船上的人看到飞船内的钟比地面上的钟走得慢

B.地面上的人看到地面上的钟比飞船上的钟走得慢

C.地面上的人看到地面上的钟比飞船上的钟走得快

D.因为是两个对准的标准钟，所以两钟走时快慢相同

参考答案

1.答案：B

解析：当火箭高速运动后，此火箭内观察者相对于时钟的速度仍然是0，所以发现时钟的快慢不变，故选项A错误；力学规律在任何惯性参考系中都是相同的，故选项B正确；根据尺缩效应，沿尺子长度方向运动的尺子长度比静止的尺子长度短，当速度接近光速时，尺子缩成一个点，故选项C错误；高速运动物体的质量是会变大的，所以牛顿运动定律不适合高速运动的物体，故选项D错误。

2.答案：A

解析：

3.答案：BD

解析：

4.答案：B

解析：根据狭义相对论质速公式可知，在宏观物体的运动中，，所以m变化不大，而不是因为物体的质量太大或无法测量，也不是因为质量不随速度的变化而变化，正确选项是B。

5.答案：C

解析：

6.答案：BC

解析：

7.答案：A

解析：A.牛顿力学适用于研究宏观物体的低速运动，A正确；
B.在微观高速领域，要用量子力学和相对论理论来解释，但是并不会因为相对论和量子力学的出现，就否定了牛顿力学，牛顿力学作为某些条件下的特殊情形，被包括在新的科学成就之中，不会过时，不会失去价值，B错误；
C.高速运动的μ子寿命变长这一现象，属于微观高速运动，只能用相对论时空观解释，不能用经典理论解释，C错误；
D.宏观低速物体牛顿力学适用，微观粒子量子力学适用，D错误。
故选A。

8.答案：C

解析：牛顿力学适用于宏观、低速运动的物体，对于微观、高速运动的物体不再适用，量子力学适用于微观粒子运动，相对论适用于一切运动物体，故AB错误，C正确。相对论与量子力学并没有否定牛顿力学，而是在其基础上发展起来的，故D错误。

9.答案：C

解析：基于爱因斯坦的两个假设，可得到时间的延缓效应，故地面上的人看到飞船上的钟变慢了，飞船上的人以自己为参考系，认为地球在高速运动，故看到地球上的钟变慢了，故C正确。