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

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

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

【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．

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

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

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

【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。

【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

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

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

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

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

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

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

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

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