1、5.相对论时空观与牛顿力学的局限性课标要求1.知道牛顿力学的发展历程、适用范围及局限性；知道爱因斯坦狭义相对论的基本假设(物理观念)2知道时间延缓效应和长度收缩效应的内容及表达式，会分析相关现象，进行相关较简单的计算(科学思维)3了解宇宙起源的大爆炸理论，科学真理都是相对的，未知世界必将在人类的不懈探索中被揭开更多谜底(科学态度与责任)必备知识自主学习突出基础性素养夯基一、相对论时空观1爱因斯坦假设：(1)在不同的惯性参考系【牛顿运动定律成立的参考系】中，物理规律的形式都是_的；(2)真空中的_在不同的惯性参考系中大小都是_的2时间延缓效应如果相对于地面以v运动的_上的人观察到与其一起运动的物
2、体完成某个动作的时间间隔为，地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为t，那么两者之间的关系是t1-vc2.由于1(vc)21，所以总有t_，此种情况称为时间延缓效应【时间进程跟物体的运动状态有关】3长度收缩效应如果与杆相对_的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以v相对杆运动的人测得杆长是l，那么两者之间的关系是ll01-vc2.由于1(vc)21，所以总有l_l0，此种情况称为长度收缩效应【空间距离跟物体的运动状态有关】二、牛顿力学的成就与局限性1牛顿力学的成就从地面上物体的运动到天体的运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动，从投
3、出篮球到发射导弹、人造地球卫星、宇宙飞船所有这些都服从_的规律2牛顿力学的局限性(1)牛顿力学不适用于_运动(2)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粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用_来说明3牛顿力学的适用范围【以某种特殊情形被包含在新的理论之中】只适用于_运动，不适用于_运动；只适用于_世界，不适用于_世界走 进 生 活如图所示，假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶车厢中央的光源发出一个闪光，照到了车厢的前壁和后壁请判断(1)对车厢内相对车厢静止的观察者看来，闪光同时到达前、后壁()(2)对车下的观察者看来，闪光先到达后壁
4、，后到达前壁()(3)以上两人的看法必然有一个是错误的()关键能力合作探究突出综合性素养形成探究点一对相对论时空观的理解情境探究如图所示，高速运行的列车车厢，车顶上有一个反光镜，列车上一个人对着反光镜照射一束光列车上的人和地面上的人观察到的光的往返时间是否相同？答：核心归纳1.两个假设的理解(1)在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的也就是说，物理学的定律与惯性系的选择无关(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的也就是说，不管光源与观察者的相对运动如何，在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的光速都是相等的2对时间延缓效应的理解(1)对同一物理过程经历的时间，在不同的惯性系
5、中观测，测得的结果不同，时间延缓效应是一种观测效应，不是被测过程的节奏变化了(2)惯性系速度越大，地面上的人观测到的时间越长(3)由于运动是相对的，故在某一参考系中观测另一参考系中发生的物理事件，总会感到时间延缓效应即惯性系中的人观测地面上发生的事件的时间也延缓3对长度收缩效应的理解(1)长度收缩效应也是一种观测效应，不是物体本身发生了收缩(2)在垂直于运动方向上，物体不会发生收缩效应(3)由于运动是相对的，故在某一参考系中观测另一参考系中沿杆方向的长度，总有长度收缩效应即在静止惯性系中的人观测运动的杆，沿杆运动方向的长度发生收缩应用体验题型1时间延缓效应例1 如图所示，有三个完全相同的时钟，
6、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，vBvC，对于地面上的观察者来说，以下说法中正确的是()A.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走得最快试解题型2长度收缩效应例2 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，而此时飞飞同学正以接近光速的速度从木杆前面掠过，如图所示，她看到木杆()A.两端同时落地BA端比B端先落地CB端比A端先落地D是向左倾斜着落地的试解【方法技巧】应用相对论的两个效应分析问题的注意点(1)时间延缓效应是一种观测效应，不是时钟走快了
7、或走慢了，也不是被观测过程的节奏变化了(2)长度收缩效应也是一种观测效应，并不是物体本身发生了收缩，另外在垂直于运动方向上不发生长度收缩效应(3)在两个惯性参考系中的观测者(相对高速运动)都会发现对方存在时间延缓效应和长度收缩效应针对训练1(多选)如图所示，甲、乙两人分别乘坐速度为0.6c和0.8c(c为真空中光速)的飞船反向运动则下列说法正确的是()A甲、乙两人相对速度为1.4cB甲观察到乙的身高不变C甲观察到乙所乘的飞船变短D甲观察到乙所带的钟表显示时间变快探究点二牛顿力学的局限性情境探究如图所示为位于瑞士和法国边境的长达27千米的大型强子对撞机这是一种能把质子加速到接近光速的设备交流讨论
8、(1)此时质子的运动规律还能用牛顿力学去研究吗？(2)此时质子的运动规律该用什么理论去研究呢？答：应用体验例3 以下说法正确的是()A经典力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子B相对论与量子力学否定了经典力学理论C经典力学理论具有一定的局限性D在经典力学中，物体的质量随运动状态而改变试解针对训练2下列物体的运动，不能用经典力学描述的是()A复兴号列车高速行驶B电子以接近光的速度运动C神舟十三号飞船在轨道上运行D辽宁号航空母舰在大海上航行评价检测素养达标突出创新性素养达标1.下列属于狭义相对论基本假设的是()A真空中光速不变B时间间隔具有相对性C物体的质量不变D物体的能量与质量成正比2关于牛顿
9、力学，下列说法正确的是()A牛顿力学完全适用于宏观低速运动B牛顿力学取得了巨大成就，是普遍适用的C随着物理学的发展，牛顿力学将逐渐成为过时的理论D由于相对论、量子力学的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值3(多选)下列关于相对论时空观的说法正确的是()A在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的B在一切惯性参考系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关C在牛顿力学时空观中认为同时发生的事件，在相对论时空观中也是同时发生的D时间和空间是永恒不变的4(多选)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观察到的现象，以下说法正确的是()A.地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间
10、进程变快了B地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变慢了C火箭上的人观察到地面上的物体的长度和时间进程均无变化D火箭上的人看到地面上的物体长度变小，时间进程变慢了5如图所示，位于高速行进的火车车厢正中的闪光灯，发出了一次闪光，闪光到达车厢后壁时，一只小猫在车厢后端出生，闪光到达车厢前壁时，两只小鸡在车厢前端出生则()A在火车上的人看来，一只小猫先出生B在火车上的人看来，两只小鸡先出生C在地面上的人看来，一只小猫先出生D在地面上的人看来，两只小鸡先出生5相对论时空观与牛顿力学的局限性必备知识自主学习一、1(1)相同(2)光速相同2惯性参考系3静止二、1牛顿力学2(1)高速(2)牛顿力学3低
11、速高速宏观微观走进生活答案：(1)(2)(3)关键能力合作探究探究点一提示：不同【例1】【解析】依据相对论的时空观，运动的时钟变慢，时钟C运动的速度最大，时钟C走得最慢，C正确，A、B、D错误【答案】C【例2】【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，飞飞同学以自己为参考系，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度收缩效应，杆的长度变短了，但竖直高度不变，杆两端仍然是在同一个时刻落地，A正确【答案】A针对训练1解析：当物体速度接近光速时，求相对速度不再可以使用经典力学的合成方法，故A错误；身高是
12、竖直方向，他们的运动方向为水平方向，所以两者看到对方的身高不变，故B正确；根据相对论的长度收缩效应，甲观察到乙所乘的飞船变短，故C正确；根据相对论的时间延缓效应，甲观察到乙所带的钟表显示时间变慢，故D错误答案：BC探究点二提示：不适用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要用到量子力学【例3】【解析】A错：经典力学理论适用于宏观物体，不适用于微观粒子B错：相对论并没有否定经典力学，经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形C对：经典力学理论具有一定的局限性，对高速微观粒子不适用D错：在经典力学中，物体的质量与运动状态无关【答案】C针对训练2解析：经典力学适用于低速宏观的物体，不适用于
13、微观高速物体，故电子以接近光的速度运动时不能用经典力学描述，列车的行驶、飞船的运行以及航母在大海中行驶都能用经典力学描述，故不能用经典力学描述的只有B，故B符合题意，A、C、D不符合题意。答案：B评价检测素养达标1答案：A2解析：牛顿力学完全适用于宏观低速运动，A正确；牛顿力学取得了巨大的成就，但它也有一定的局限性，并不是普遍适用的，B错误；在微观高速运动中，要用量子力学和相对论来解释，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，牛顿力学在其适用范围内仍然是正确的，故不会过时也不会失去应用价值，C、D错误答案：A3解析：相对论时空观中，在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，
14、A正确；在一切惯性参考系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关，B正确；在相对论时空观中，时间和空间具有相对性，因此在牛顿力学时空观中认为同时发生的事件，在相对论时空观中不一定是同时发生的，C、D错误答案：AB4解析：A错，B对：根据长度收缩效应和时间延缓效应原理，地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程应该变慢了C错，D对：根据相对性，火箭上的人看到地面上的物体长度变小，时间进程变慢了答案：BD5解析：火车上的人以车厢为参考系，光向前、后传播的速率相等，光源又在车厢中央，所以闪光同时到达前、后两壁，则在火车上的人看来，小猫和小鸡同时出生，A、B错误；地面上的人以地面为参考系，光向前、后传播的速率相等，在闪光飞向两壁的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前传播的闪光传播的路程长些，到达前壁的时间晚些，故在地面上的人看来，一只小猫先出生，C正确，D错误答案：C