高中物理5 相对论时空观与牛顿力学的局限性学案设计

7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性

【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．

【知识要点】

一、相对论时空观

1、19世纪,英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了电磁波的存在,并证明了电磁波的速度等于光速C。

2、1887年的迈克耳孙—莫雷实验以及其他一些实验表明:在不同参考系中,光的传播速度都是一样的。

3、狭义相对论的两个基本假设

①爱因斯坦相对性原理:在不同的参考系中,一切物理规律都是相同

②)光速不变原理:真空中的光速在不同的参考系中都是相同的。

4、相对论时空观

（1）时间的相对性———"钟慢效应'时间的相对性符合以下规律:

式中△t，是运动体中的观察者观察到的时间间隔,△t 是地面上的观察者观察到的时间间隔。由于,所以 △t，＞△t,即运动体中的观察者观察到的时间间隔变短了,从地面上观察运动物体的时间变慢了。这就是所谓的"钟慢效应"。

（2）空间的相对性——"尺缩效应"空间的相对性符合以下规律:

中L，是运动体中的观察者测得的长度,L 是地面上的观察者测得的长度。由于，所以L<L，,即地面上的观察者观察到运动物体的长度变短了。这就是所谓的"尺缩效应"

二、牛顿力学的成就和局限性

1、成就:牛顿力学的基础是牛顿运动定律,牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域,包括天体力学的研究中接受了实践的检验,取得了巨大的成就。

2、局限性:牛顿力学能够精确的描述宏观物体的运动规律,但对微观粒子的波粒二象性无能力,量子力学能够正确地描述微观粒子运动的规律性。

3、经典力学适用范围只能用于宏观、低速（与光速相比)的情形,且只在惯性参考系中成立。

【题型分类】

题型一、相对论时空观

例1 1905年爱因斯坦提出了狭义相对论，狭义相对论的出发点是以两条基本假设为前提的，这两条基本假设是（   ）

A．同时的绝对性与同时的相对性

B．运动的时钟变慢与运动的尺子缩短

C．时间间隔的绝对性与空间距离的绝对性

D．相对性原理与光速不变原理

【答案】D

【解析】爱因斯坦提出的狭义相对论两条基本假设是： 相对性原理与光速不变原理，其他内容均建立在这两点的基础之上；故选D。

例2对相对论的基本认识，下列说法正确的是

A．相对论认为：真空中的光速在不同惯性参考系中都是相同的

B．爱因斯坦通过质能方程阐明了质量就是能量

C．在高速运动的飞船中的宇航员会发现飞船中的钟走得比地球上快

D．我们发现竖直向上高速运动的球在水平方向上变扁了

【答案】A

【解析】A．相对论认为：真空中的光速在不同的惯性系中都是相同的，故A正确．

B．由可知，质量与能量相互联系，但质量与能量是两个不同的物理量，不能说质量就是能量，能量就是质量，故B错误；

C．在高速运动的飞船中的宇航员会发现飞船中的钟走得比地球上慢．故C错误；

D．我们发现竖直向上高速运动的球，水平方向上没有变化，竖直方向变短了，故D错误；

故选A．

例3以下关于相对论的说法，正确的是

A．观察者与光源相向运动时，观测到的光速大于m/s

B．在不同的惯性系中观测同一物体，尺寸都相同

C．对于同一个物理过程经历的时间，在任何惯性系中观测结果都相同

D．当物体相对某一惯性系高速运动时，其质量的观测值与速度大小有关

【答案】D

【解析】根据狭义相对论，真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，与光源和观察者的运动无关，故A错误；在不同的惯性系中测量同一物体的长度，测量值是不同的，故B错误；对于同一个物理过程经历的时间，在不同惯性系中观测结果是不相同的，选项C错误；当物体相对某一惯性系高速运动时，其质量的观测值与速度大小有关，选项D正确；故选D。

【同类练习】

1.如图所示，惯性系S中有一边长为l的正方形，从相对S系沿x方向以接近光速的匀速飞行器上测得该正方形的图像是（    ）

A． B．

C． D．

【答案】C

【解析】正方形从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上运动，根据相对论效应可知，沿x轴方向正方形边长缩短，而沿y轴方向正方形边长没有改变，则其形状变成长方形。故选项C正确。

2．用相对论的观点判断下列说法是否正确（    ）

A．时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变

B．在地面上的人看来，以的速度升空的火箭中的时钟会变快，但是火箭中的宇航员却看到时钟可能是准确的

C．在地面上的人看来，以的速度升空的火箭在运动方向上会变短，而火箭中的宇航员却感觉到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些

D．当物体运动的速度时，“时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽略不计

【答案】CD

【解析】A．经典力学理论的观点认为时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变；而相对论的观点认为时间和空间都是相对的，在不同的参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度会发生改变，故Ａ错误．

B．根据时间间隔的相对性：可知，时间延缓效应，因此地面上的人看飞船中的时钟会变慢，但是飞船中的宇航员却看到时钟是准确的，故B错误；

C．根据长度的相对性：，可知，在运动方向上长度缩短，所以在地面上的人看来，以３km/s 的速度运动的飞船在运动方向上会变窄，而飞船中的航天员却感到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些，故C正确；

D．当低速宏观物体时，v<<c时，△t≈△t′，l≈l0，可知“时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽略不计，故D正确。

题型二、牛顿力学的局限性

例3经典力学只适用于“宏观世界”，这里的“宏观世界”是指(    )

A．行星、恒星、星系等巨大的物质领域

B．地球表面上的物质世界

C．人眼能看到的物质世界

D．不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界

答案：D

例4通过一个加速装置对电子加一很大的恒力，使电子从静止开始加速，则对这个加速过程，下列描述正确的是(    )

A．根据牛顿第二定律，电子将不断做匀加速直线运动

B．电子先做加速运动，后以光速做匀速直线运动

C．电子开始先近似于匀加速运动，后来质量增大，牛顿运动定律不再适用

D．电子是微观粒子，整个加速过程根本就不能用牛顿运动定律解释

答案：C

【同类练习】

1.关于经典力学、狭义相对论和量子力学，下列说法中正确的是(    )

A．狭义相对论和经典力学是相互对立的、互不相容的两种理论；

B．在物体高速运动时，物体的运动规律遵循狭义相对论，在低速运动时，物体的运动遵循牛顿运动定律；

C．经典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．不论是宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的。

答案：BC

【成果巩固训练】

1．以下说法错误的是

A．爱因斯坦提出光子说成功地解释了光电效应，说明光具有粒子性

B．光的波长越大，光子能量越小

C．以不同的惯性系观察同一物体的运动，物体的加速度可能不同，但速度一定相同

D．光既有波动性，有具有粒子性，二者并不矛盾

【答案】C

【解析】

A．爱因斯坦提出光子说成功地解释了光电效应，说明光具有粒子性，选项A正确，不符合题意；

B．根据 可知，光的波长越大，光子能量越小，选项B正确，不符合题意；

C．根据相对论原理，以不同的惯性系观察同一物体的运动，物体的加速度和速度都不相同，选项C错误，符合题意；

D．光既有波动性，又具有粒子性，光具有波粒二象性，故D正确，不符合题意．

故选C.

2．下列说法正确的是（   ）

A．以牛顿运动定律为基础的经典力学因其局限性而没有存在的价值

B．物理学的发展，使人们认识到经典力学有它的适用范围

C．相对论和量子力学的出现，是对经典力学的全盘否定

D．经典力学对处理高速运动的宏观物体具有相当高的实用价值

【答案】B

【解析】

牛顿运动定律能够解决宏观物体的低速运动问题，在生产、生活及科技方面起着重要作用；解决问题时虽然有一定误差，但误差极其微小，可以忽略不计；故经典力学仍可在一定范围内适用．虽然相对论和量子力学更加深入科学地认识自然规律，它是科学的进步，但并不表示对经典力学的否定，故选项B正确．A、C错误；经典力学不能用于处理高速运行的物体；故D错误．

故选B

3．爱因斯坦相对论的提出,是物理学思想的重大革命,因为它(    )

A．揭示了时间、空间并非绝对不变的属性

B．借鉴了法国科学家拉瓦锡的学说

C．否定了牛顿力学的原理

D．修正了能量、质量互相转化的理论

【答案】A

【解析】

A．运动的钟变慢，运动的尺缩短，运动物体的质量变大，这是狭义相对论的几个重要的效应，揭示了时间、空间并非绝对不变的属性，A正确；

B．爱因斯坦相对论借鉴法国科学家拉瓦锡的学说，但“借鉴”不等于“革命”，故B错误；

C．直接说“否定了牛顿力学的原理”是没有一分为二的认识，爱因斯坦相对论解释了经典牛顿力学不能解释的高速、微观范围，但狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系，指出它们都服从狭义相对性原理，即没有否定牛顿力学的原理，C错误；

D．狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律并提示了质量与能量相当，修正了能量、质量互相转化的理论，但“修正”也算不上革命。故D错误。

故选：A。

4．建立经典电磁场理论，并预言了电磁波存在的物理学家和创立相对论的科学家分别是(　　)

A．麦克斯韦　法拉第

B．麦克斯韦　爱因斯坦

C．赫兹　爱因斯坦

D．法拉第　麦克斯韦

【答案】B

【解析】

【详解】

在19世纪60年代建立经典电磁场理论，并预言了电磁波存在的物理学家是麦克斯韦，创立相对论的科学家是爱因斯坦．

A．麦克斯韦、法拉第，与结论不相符，选项A错误；

B．麦克斯韦、爱因斯坦，与结论相符，选项B正确；

C．赫兹、爱因斯坦，与结论不相符，选项C错误；

D．法拉第、麦克斯韦，与结论不相符，选项D错误；

故选B。

5．牛顿把天体运动与地上物体的运动统一起来，创立了经典力学。随着近代物理学的发展，科学实验发现了许多经典力学无法解释的事实，关于经典力学的局限性，下列说法正确的是

A．火车提速后，有关速度问题不能用经典力学来处理

B．由于经典力学有局限性，所以一般力学问题都用相对论来解决

C．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

【答案】C

【解析】A、火车提速后的速度仍然远小于光速,有关速度问题仍然能用经典力学来处理.故A错误; 
B、相对论并没有否定经典力学,而是在其基础上发展起来的,有各自成立范围;经典力学是狭义相对论在低速 条件下的近似,因此经典力学包含于相对论之中,经典力学是相对论的特例,故B错误; 
C、经典力学适用于宏观、低速运动的物体,不仅仅适用于像地球和太阳那样大的宏观物体,象乒乓球、篮球、飞鸟等也可以使用.所以C选项是正确的,D错误. 

综上所述本题答案是：C

6．用相对论的观点判断下列说法正确的是 （ ）

A．时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变

B．狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律是不同的

C．在地面上的人看来，以3km/s的速度升空的火箭在运动方向上会变短，而火箭中的宇航员却感觉到地面上的人看起来比飞船中的人矮一些

D．无论物体如何运动，物体的质量总是不变的

【答案】C

【解析】

时间和物体的存在有关，长度与物体的速度有关，空间也与物体的存在有关，即物体的运动速度使空间发生了变形，A错误．狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律是相同的，B错误，在地面上的人看来，以3km/s的速度升空的火箭在运动方向上会变短，而火箭中的宇航员却感觉到地面上的人看起来比飞船中的人矮一些,C正确．物体的质量跟物体的运动速度有关，所以D错误．

7．你现在正在完成100分钟的期末物理考试，假设一艘飞船相对你以0.3C的速度匀速飞过（C为真空中的光速），则飞船上的观察者根据相对论认为你考完这场考试所用时间

A．大于100分钟 B．等于100分钟 C．小于100分钟 D．不能确定

【答案】A

【解析】

根据狭义相对论可知，飞船相对此考生以0.3c的速度匀速飞过时，飞船上的观察者认为此考生考完这场考试所用的时间，可知飞船上的观察者认为此考生考完这场考试所用的时间大于100分钟．选项A正确．故选A．

8．对相对论的基本认识，下列说法正确的是

A．相对论认为：真空中的光速在不同惯性参考系中都是相同的

B．爱因斯坦通过质能方程阐明了质量就是能量

C．在高速运动的飞船中的宇航员会发现飞船中的钟走得比地球上快

D．我们发现竖直向上高速运动的球在水平方向上变扁了

【答案】A

【解析】

A．相对论认为：真空中的光速在不同的惯性系中都是相同的，故A正确．

B．由可知，质量与能量相互联系，但质量与能量是两个不同的物理量，不能说质量就是能量，能量就是质量，故B错误；

C．在高速运动的飞船中的宇航员会发现飞船中的钟走得比地球上慢．故C错误；

D．我们发现竖直向上高速运动的球，水平方向上没有变化，竖直方向变短了，故D错误；

故选A．

9．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

【答案】B

【解析】

A．当火箭高速运动后，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；

B．力学规律在任何惯性参考系中都是相同的，故选项B正确；

C．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；

D．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。

故选B。