7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性—人教版（2019）高中物理必修第二册课件+素材

第5节　相对论时空观与牛顿力学的局限性 【学习目标】 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.了解相对论、量子力学和经典力学的关系. 【知识梳理】 一、狭义相对论 1.狭义相对论的两条基本假设 2.同时的相对性 3.动尺变短 4.动钟变慢 二、牛顿力学的成就与局限性 经典力学的观点： v 光速＝ 设想人类可以利用飞船以 0.2c 的速度进行星际航行。则飞船上的观察者测量到的激光的速度是多少？ 一、狭义相对论 相对论简介 19世纪后半叶，关于电磁场的研究不断深入，人们认识到了光的电磁本质．我们已经知道，电磁波是以巨大且有限的速度传播的，因此在电磁场的研究中不断遇到一些矛盾，这些矛盾导致了相对论的出现． 相对论不仅给出了物体在高速运动时所遵循的规律，而且改变了我们对于时间和空间的认识，它的建立在物理学和哲学的发展史上树立了一座重要的里程碑． 不存在特殊参考系  19世纪后半叶和20世纪初，物理学家们曾经猜想，有一种叫做以太的介质，弥漫在宇宙中，它是电磁波传播时所需要的介质，拿以太做参考系时麦克斯韦的电磁理论才成立．今天看来，以太是某一特殊参考系的代表．麦克尔逊实验表明不存在这样的特殊参考系，实际上就是宣布宇宙间不存在以太． 麦克尔逊实验 1.狭义相对论的两个假设 上述的矛盾使我们面临两个选择，要么放弃麦克斯韦的电磁理论，要么否定特殊参考系的存在．爱因斯坦选择了后者．并提出了两个假设： 在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的 爱因斯坦的相对性原理 真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的 光速不变原理 2.同时的相对性 车厢上的人和地面上的人看到车厢中间灯光到达前后车厢的先后是不一样的． 3.动尺变短 如果与杆相对静止的人测得杆长是 ，沿着杆的方向，以 v 相对杆 运动的人测得杆长是 ，那么两者之间的关系是由于 所以总有 ，此种情况称为长度收缩效应 注：沿着杆的方向，动尺变短；垂直于杆的方向，长度不变 4.动钟变慢 在爱因斯坦两个假设的基础上，经过严格的数学推导，可以得到下述结果。如果相对于地面以 v 运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物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 ，那么两者之间的关系是 二、从宏观到微观 1.粒子对撞机可以把质子加速到接近于光速.如图所示，经典力学是否适用于质子的运动规律？如何研究质子的运动规律？ 答案　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. 导学探究 答案 2.如图所示，“黑洞”是爱因斯坦广义相对论中预言的一种特殊天体.它的密度极大，对周围的物质(包括光)有极强的吸引力，在研究“黑洞”时，经典力学还适用吗？如何研究“黑洞”问题？ 答案　不适用.经典力学适用于弱引力问题，而“黑洞”问题属于强引力问题，经典力学不再适用，可以利用爱因斯坦的广义相对论研究“黑洞”问题. 答案 √ 例1.2016年2月11日，科学家宣布探测到引力波的存在，引力波是实验验证爱因斯坦相对论的最后一块缺失的“拼图”，相对论在一定范围内弥补了经典力学的局限性，关于经典力学，下列说法中正确的是(　　)A．经典力学完全适用于宏观低速运动 B．经典力学取得了巨大成就，是普遍适用的C．随着物理学的发展，经典力学将逐渐成为过时的理论 D．随着相对论、量子论的提出，经典力学已经推动了它的应用价值 练习1：(2019·四川绵阳期末)关于经典力学，下列说法中正确的是(　　)A．相对论与量子力学否定了经典力学理论B．经典力学可以解决自然界中所有的问题C．经典力学适用于微观领域质子、电子的运动D．经典力学适用于发射的导弹、人造卫星、宇宙飞船的运动 √ 练习2．(2019·重庆万州期中)经典力学不能适用于下列哪些运动(　　)A．火箭的发射B．宇宙飞船绕地球的运动C．宇宙探测器在太空的运动D．电子的波动性 √ 答案 例2　关于经典力学、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、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 √ 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，选项A错误，B正确. 经典力学适用于宏观、低速、弱引力的领域，选项C、D错误. 例3.如图所示，强强乘坐速