必修 第二册5 相对论时空观与牛顿力学的局限性导学案及答案

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1.了解经典力学的发展历程和伟大成就.
2.认识经典力学的局限性和适用范围.
3.初步了解微观和高速世界中的奇妙现象.
4.知道相对论、量子力学和经典力学的关系。
1、重点：了解经典力学的局限性。
2、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．
主题1:相对论时空观
问题:根据爱因斯坦的狭义相对论知,质量要随着物体的速度增大而增大,即m＝eq \f(m0,\r(1－\f(v2,c2)))。请讨论:如果你使一个物体不断地加速,它的速度会增大到等于光速甚至大于光速吗?为什么?[来
主题2:牛顿力学的成就与局限性
问题:阅读课本“经典力学的局限性”的内容,回答下列问题。
(1)总结经典力学有哪些局限性,它的适用范围是什么?
(2)以牛顿运动定律为基础的经典力学,在科学研究和生产技术中有哪些应用?
源:Zxxk.Cm]
1．一颗以0.1c的速度朝地球运动的星突然爆炸变为一颗明亮的超新星，爆炸所发出的光离开这颗超新星的速度为________，在地球测量，这束光射向地球的速度为________。
2．一张宣传画5 m见方，平行地贴于铁路旁边的墙上，一超高速列车以2×108 m/s的速度接近此宣传画，这张画由司机测量时的宽度为________ m，高度为________ m。
3.甲、乙两人站在地面上时身高都是L0，甲、乙分别乘坐速度为0.6c和0.8c(c为光速)的飞船同向运动，如图所示。此时乙观察到甲的身高L________L0；若甲向乙挥手，动作时间为t0，乙观察到甲动作时间为t1，则t1________t0。(均选填“＞”“＝”或“＜”)
4．设想飞船在甲、乙两个相距8亿千米的星球间飞行，甲、乙两星球及飞船上各有一个巨大的钟，现飞船相对星球以0.75c(c是真空中光速)的速度离开甲星球飞向乙星球，飞船经过甲星球时，三个钟均调整指到3：00整。则当飞船飞过乙星球的瞬间，飞船内的人看到乙星球上的钟指向的时间为________，看到飞船上的钟指向的时间为________。
5．(多选)下面说法中正确的是( )
A．当物体运动速度远小于光速时，相对论物理学和牛顿力学的结论没有区别
B．当物体运动速度接近光速时，相对论物理学和牛顿力学的结论没有区别
C．当普朗克常量h可以忽略不计时(h＝6.63×10－34 J·s)，量子力学和牛顿力学的结论没有区别
D．当普朗克常量h不能忽略不计时(h＝6.63×10－34 J·s)，量子力学和牛顿力学的结论没有区别
6．(多选)以下说法正确的是( )
A．牛顿力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用
B．牛顿力学理论的成立具有一定的局限性
C．在牛顿力学中，物体的长度不随运动状态的改变而改变
D．相对论与量子力学否定了牛顿力学理论
1．(多选)下列说法中属于牛顿力学时空观的观点的是( )
A．世界的过去、现在和将来都只有量的变化，而不会发生质的变化
B．时间和空间不依赖人们的意识而存在
C．时间和空间是绝对的
D．时间和空间是紧密联系、不可分割的
2．下列说法正确的是( )
A．牛顿力学能够说明微观粒子的规律性
B．牛顿力学适用于宏观物体的低速运动问题，不适用于高速运动的物体
C．相对论与量子力学的出现，说明牛顿力学已失去意义
D．对于宏观物体的高速运动问题，牛顿力学仍适用
3．如图所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为( )
A．0.4c B．0.5c
C．0.9c D．c
4．一列火车以接近光速的速度从我们身边飞驶而过，我们会感到车厢、车窗变窄了，而车厢、车窗的高度并没有变化，那么车厢内的人看路旁的电线杆间距将会( )
A．变窄 B．变宽
C．不变 D．都有可能
5.如图所示，沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C，假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上的观察者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是( )

A．同时被照亮 B．A先被照亮[来源:学&科&网]
C．C先被照亮 D．无法判断
6．如图所示，有三个完全相同的时钟，时钟A放在地面上，时钟B、C分别放在两个火箭上，两个火箭分别以速度vB和vC朝同一方向飞行，vBA．时钟A走得最慢 B．时钟B走得最慢
C．时钟C走得最慢 D．时钟C走得最快
7．如果一观察者测得运动着的米尺长0.5 m(米尺的静止长度为1 m)，则此尺相对于观察者的速度为________。
8．半人马星座α星是离太阳系最近的恒星，它距地球为4.3×1016 m，设有一宇宙飞船自地球往返于半人马星座α星之间，若宇宙飞船的速度为0.999c，按地球上的时钟计算，飞船往返一次需多长时间？如以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为多长？
参考答案：
小试牛刀：
1、答案 3×108 m/s 3×108 m/s
解析 这颗超新星和地球都可近似看成是惯性系，因在一切惯性参考系中，真空中的光速都相同的，因此光以c＝3×108 m/s的速度离开超新星，也以这个速度射向地球。
2、答案 3.7 5
解析 垂直速度方向的长度不变，仍然是5 m，运动方向上长度变短，为l＝l0 eq \r(1－\f(v2,c2))＝5× eq \r(1－\f(2×1082,3×1082)) m≈3.7 m。
所以，司机看到的画的尺寸为：高5 m，宽3.7 m，宣传画的形状由正方形变成了长方形。
3、答案 ＝ >
解析 因为人站立时是垂直于飞船速度方向的，没有长度收缩效应，身高L＝L0；乙比甲运动得快，故根据相对论的时间延缓效应，t1>t0。
4、答案 4：00 3：40
解析 在乙星球的观察者看来，飞船飞越的时间为：
t＝eq \f(8×1011,0.75×3.0×108) s≈3600 s＝1 h
所以，飞船内的人看到乙星球上的钟指到4：00整。
在飞船内的观察者看来，飞船飞越的时间t′为：
t′＝t eq \r(1－\f(v2,c2))＝1×eq \r(1－0.752) h≈0.66 h≈40 min
所以，飞船内的人看到飞船上的钟指到3：40。
5、答案 AC
解析 牛顿力学可以认为是相对论物理学在低速(远小于光速)状态下的特例，是量子力学在宏观(h可以忽略不计)状态下的特例，A、C正确。
6、答案 BC
解析 牛顿力学理论只适用于宏观、低速运动的物体，A错误；牛顿力学只在一定条件下适用，具有一定局限性，B正确；牛顿力学研究的是低速运动问题，物体的长度变化很小，可以认为不变，C正确；相对论和量子力学并没有否定牛顿力学，认为牛顿力学是在一定条件下的特殊情形，D错误。
当堂检测：
1、答案 ABC
解析 牛顿力学时空观认为时间和空间都是与外界事物无关的、绝对的，A、B、C属于牛顿力学时空观；D属于相对论时空观。
2、答案 B
解析 牛顿力学适用于宏观、低速运动的物体，不适用于高速运动的物体，也不能说明微观粒子的规律性，相对论与量子力学的出现，是一种完善和拓展，牛顿力学并没有失去其存在的意义，B正确，A、C、D错误。
3、答案 D
解析 真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，可知D正确，A、B、C错误。
4、答案 A
解析 火车相对地面以接近光速的速度向前飞驶，如果以火车为参考系，地面向后飞驶，根据长度收缩效应知电线杆间距变窄，A正确。
5、答案 C
解析 列车上的观察者看到的是由B发出后经过A和C反射的光，由于列车在这段时间内向C运动，靠近C而远离A，所以C的反射光先到达列车上的观察者，观察者测得C先被照亮，故C正确。
6、答案 C
解析 根据相对论的时空观，运动的时钟变慢，时钟C的速度最大，时钟C走得最慢，C正确，A、B、D错误。
7、答案 2.6×108 m/s
解析 由l＝l0 eq \r(1－\f(v2,c2))得：
v＝c eq \r(1－\f(l2,l\\al(2,0)))＝ceq \r(1－0.52)≈0.87c≈2.6×108 m/s。
8、答案 9年 0.4年
解析 以地球上的时钟计算：
Δt＝eq \f(s,v)＝eq \f(2×4.3×1016,0.999×3×108) s≈2.87×108 s≈9年，
若以飞船上的时钟计算，设时间为Δt′，
由时间延缓效应有Δt＝eq \f(Δt′,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(v,c)))2))
所以得Δt′＝Δteq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(v,c)))2)＝2.87×108×eq \r(1－0.9992) s≈1.28×107 s≈0.4年。