1、物理观念(1)知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。(2)知道相对论、量子力学有助于人类认识高速、微观领域。(3)知道爱因斯坦的两个假设。(4)知道时间延缓效应和长度收缩效应。科学思维(1)了解爱因斯坦两个假设，知道牛顿力学的局限性。(2)能对时间延缓效应和长度收缩效应问题进行分析。科学态度与责任 通过课内与课外阅读，知道相对论、量子力学和经典力学的关系，体会人类对自然界的探索是不断深入的。5 相对论时空观与牛顿力学的局限性核心素养点击 一、相对论时空观1填一填(1)绝对时空观：时间与空间都是独立于物体及其_而存在的，也叫牛顿力学时空观。(2)爱因斯坦的假设：在不同的惯性参考系中，物理规律
2、的形式都是_的；真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是_的。运动相同相同 (3)时间延缓效应：t_。(4)长度收缩效应：l_。(5)相对论时空观：运动物体的长度(空间距离)和物理过程的快慢(时间进程)都跟物体的_有关。1vc2l01vc2运动状态2判断(1)在不同的惯性系中，光速是不同的。()(2)由于在任何惯性系中力学规律都是相同的，所以，研究力学问题时可以选择任何惯性系。()(3)按照经典时空观，某一事件的发展过程，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔是相同的。()3想一想 经典时空观和狭义相对论时空观中，空间和时间有什么不同？提示：经典时空观中空间和时间是绝对的，与物质的运动状态无关；
3、在狭义相对论时空观中，空间和时间是相对的，与物质的运动状态有关。二、牛顿力学的成就与局限性1填一填(1)牛顿力学的成就：牛顿力学的基础是_，_的建立与应用更是确立了人们对牛顿力学的尊敬。从地面上物体的运动到天体的运动，都服从_的规律。(2)牛顿力学的局限性电子、质子、中子等_，它们不仅具有粒子性，同时还具有_，它们的运动规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明。(3)牛顿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。牛顿运动定律万有引力定律牛顿力学微观粒子波动性低速高速宏观微观 (4)相对论物理学与牛顿力学的联系当物体的运动速度远小于光速 c 时(c3108 m/s
4、)，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别；当另一个重要常数即普朗克常量 h 可以忽略不计时(h6.631034 Js)，量子力学和牛顿力学的结论没有区别；相对论与量子力学都没有否定过去的科学，而只认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形。2判断(1)经典力学在任何情况下都适用。()(2)相对论和量子力学是对经典力学的否定。()(3)当物体的运动速度接近光速时，经典力学就不再适用了。()(4)相对论和量子力学的出现，说明经典力学已失去意义。()3选一选 下列说法正确的是()A牛顿定律就是经典力学 B经典力学的基础是牛顿运动定律 C牛顿运动定律可以解决自然界中所有的问题 D经典力学可以解决自然界
5、中所有的问题 解析：经典力学并不等于牛顿运动定律，牛顿运动定律只是经典力学的基础；经典力学并非万能，也有其适用范围，并不能解决自然界中所有的问题，没有哪个理论可以解决自然界中所有的问题。因此只有B正确。答案：B 主题探究一 对相对论时空观的理解问题驱动地球绕太阳公转的速度约为 3104 m/s。在美国伊利诺斯州费米实验室的圆形粒子加速器可以把电子加速到 0.999 999 999 987 倍光速的速度，光速 c3108 m/s。请思考：(1)地球的公转速度在狭义相对论中属于低速还是高速？被加速器加速后的电子的速度属于低速还是高速？(2)在地面上校准的两只钟，一只留在地面上，一只随宇宙飞船遨游太
6、空(如图 7.5-1 所示)。隔一段时间飞船返回地面时，两只钟显示的时间相同吗？有什么差别？提示：(1)地球公转速度属于低速，被加速器加速后的电子的速度属于高速。(2)不相同，随飞船旅行的时钟变慢(显示的时间短)。图 7.5-1 【重难释解】1惯性系和非惯性系：牛顿运动定律能够成立的参考系为惯性系，相对于这个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系。2相对性原理(1)根据麦克斯韦的电磁理论，真空中的光速在任何惯性系中都是一个常量。(2)迈克耳孙莫雷实验证明：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是相同的。3爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设(1)在不
7、同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。4长度的相对性“动尺变短”狭义相对论中的长度公式：ll01vc2中，l0 是相对于杆静止的观察者测出的杆的长度，而 l 可以认为是杆沿自己的长度方向以速度 v 运动时，静止的观察者测量的长度。5时间间隔的相对性动钟变慢时间间隔的相对性公式：t1vc2中，是相对事件发生地静止的观察者测量同一地点的两个事件发生的时间间隔，而 t 是相对于事件发生地以速度 v 高速运动的观察者测量同一地点的同样两个事件发生的时间间隔。典例 1 介子是一种不稳定粒子，平均寿命是 2.6108s(在自己的参考系中测得)。(
8、1)如果此粒子相对于实验室以 0.8c 的速度运动，那么在实验室坐标系中测量的 介子寿命多长？(2)介子在衰变前运动了多长距离？解析(1)介子在实验室中观察的寿命为t1vc22.610810.82 s4.3108 s。(2)该粒子在衰变前运动的距离为xvt0.831084.3108 m10.32 m。答案(1)4.3108 s(2)10.32 m 典例 2 有一段长 100 km 的直线铁路，假设铁路上空有一飞行器沿铁路方向以 30 km/s 的速度掠过。求：(1)飞行器上的人看到铁路的长度应该为多少？(2)假设飞行器的速度达到 0.6c，则飞行器的人看到的铁路的长度又是多少？图 7.5-2解
9、析(1)当飞行器速度为 30 km/s 时，1vc21，长度 ll0100 km。(2)当飞行器的速度达到 0.6c 时，由狭义相对论中的长度公式 ll01vc2，代入相应的数据解得l100 10.62 km80 km。答案(1)100 km(2)80 km (1)时间间隔、长度的变化，都是由于物质的相对运动引起的一种观测效应，它与所选取的参考系有关，物质本身的结构并没有变化。(2)两个事件的时间间隔和物体的长度，必须与所选取的参考系相联系，如果在没有选取参考系的情况下讨论时间的长短及空间的尺寸，是没有任何意义的。【素养训练】11905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
10、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 解析：狭义相对论的两个基本假设是相对性原理和光速不变原理，故D正确。答案：D 2A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上，B、C分别放在两个火箭上，以速度vB和vC朝同一方向飞行，vBvC。在地面上的人看来，关于时钟快慢的说法正确的是()AB钟最快，C钟最慢 BA钟最快，C钟最慢 CC钟最快，B钟最慢 DA钟最快，B钟最慢 解析：根据狭义相对论的时间延缓效应可知，速度越大，钟走得越慢，故D正确。答案：D 3一张长、宽均为 5 m
11、 的宣传画，平行地贴于铁路旁边的墙上，一超高速列车以 2108 m/s 的速度接近此宣传画，这张画由司机测量高度为多少？长度为多少？解析：垂直速度方向的长度不变，高度仍然是 5 m，沿运动方向长度变短，为 ll01vc251210831082 m3.7 m因此，司机看到的画面尺寸高为 5 m，长度为 3.7 m。答案：5 m 3.7 m 主题探究二 经典力学与相对论、量子力学的比较【重难释解】1低速与高速的理解(1)低速：通常所见物体的运动，如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体皆为低速运动物体。(2)高速：有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近，这样的速度称为高速。牛
12、顿力学(经典力学)相对论、量子理论 区别(1)牛顿力学适用于低速运动的物体(2)牛顿力学适用于宏观世界(3)牛顿力学在弱引力的情况下与实验结果符合得很好(1)相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律(2)量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律(3)相对论能够解释强引力情况下的作用规律 联系(1)当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与牛顿物理学的结论没有区别(2)当另一个重要常数即普朗克常量可以忽略不计时，量子力学和牛顿力学的结论没有区别(3)相对论和量子力学并没有否定牛顿力学，牛顿力学是二者在一定条件下的特殊情形 2.牛顿力学与相对论、量子理论的比较 典例3 关于经典力学、狭义相对论
13、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、互不相容的两种理论 B经典力学包含于相对论之中，经典力学是相对论的特例 C经典力学只适用于宏观物体的运动，量子力学只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 解析 相对论没有否定经典力学，经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形，故A错误，B正确。经典力学适用于宏观、低速、弱引力的领域，故C、D错误。答案 B【素养训练】4(多选)以下说法正确的是()A经典力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用 B经典力学理论具有一定的局限性 C在经典力学中，物体的质量不随运动状态改变而改变 D相
14、对论和量子力学否定了经典力学理论 解析：经典力学理论具有一定的局限性，它只适用于低速、宏观物体的运动，故A错误，B正确；在经典力学中，物体的质量不随运动状态的改变而改变，即物体的质量和物体运动的速度无关，故C正确；相对论和量子力学并没有否定过去的科学，而是认为经典力学理论是在一定条件下的特殊情形，故D错误。答案：BC 5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 解析：前三个选项说的当然都属于“宏观世界”，但都很片面，没有全面描述，本题应选D。答案：D
15、6关于经典时空观和相对论时空观，下列说法错误的是()A经典时空观认为时间和空间是独立于物体及其运动而存在的 B相对论时空观认为时间和空间与物体及其运动有关系 C经典力学只适用于宏观、低速运动问题，不适用于微观、高速运动问题 D当物体的运动速度远小于光速时，相对论和经典力学的结论仍有很大的区别 解析：经典时空观认为时间和空间是独立于物体及其运动而存在的，而相对论时空观认为时间和空间与物体及其运动有关系，故A、B正确。经典力学只适用于宏观、低速运动问题，不适用于微观、高速运动问题，故C正确。当物体的运动速度远小于光速时，相对论和经典力学的结论没有区别，故D错误。答案：D 一、培养创新意识和创新思维
16、质速关系在经典物理学中，物体的质量与运动无关。从相对论的角度看，物体的质量则是变化的。当物体相对于某惯性参考系静止时，它具有最小的质量 m0；当物体以速度 v 相对该惯性参考系运动时，则在该惯性参考系观测它的质量mm01v2c2，可见，物体的质量会随着它运动速度的增大而增大。这便是相对论的质速关系。一个原来静止的电子，经高压加速后速度为 v6106 m/s。电子的质量增大了还是减小了？改变了百分之几？(光速 c3108 m/s)解析：根据爱因斯坦的狭义相对论 m m0 1v2c2得，运动后电子的质量增大了，且 mm01v2c2m0161062310821.000 2m0所以质量改变的百分比为m
17、m0m0100%0.02%。答案：增大了 0.02%二、注重学以致用和思维建模1(多选)经典力学规律适用于下列运动的是()A子弹的飞行 B飞船绕地球的运行C列车的运行D粒子接近光速的运动解析：经典力学的适用范围是宏观、低速情形，子弹的飞行、飞船绕地球的运行、列车的运动，经典力学都能适用，故 A、B、C 正确；对于微观、高速的情形经典力学不适用，故 D 错误。答案：ABC 2日常生活中，我们并没有发现物体的质量随物体运动速度的变化而变化，其原因是()A运动中物体无法称量其质量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解析：根据狭义相对论 mm01v2c2
18、可知，在宏观物体的运动中，vc，所以质量变化不大，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，故 B 正确。答案：B 3(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中正确的是()A地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变快了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火箭上的人观察到火箭的长度和时间进程均无变化D火箭上的人看地面上的物体长度变短，时间进程变慢了 解析：ll01vc2和 t1vc2，可知 ll0，t。一个相对地面做高速运动的惯性系中发生的物理过程，在地面上的人看来，火箭的长度变短了，它所经历的时间比在这个惯性系中直接观察到的时间变长了，惯性系速度越大，观察到的火箭的长度越短，所经历的过程时间越长。火箭上的人观察到火箭的长度和时间进程均无变化。同样，火箭上的人看地面上的物体长度也是变短，时间进程变慢了，故 B、C、D 正确。答案：BCD