第七章 第5节 相对论时空观与牛顿力学的局限性(Word教参)-【状元桥·优质课堂】2021-2022学年新教材高中物理必修第二册（人教版）

第5节　相对论时空观与牛顿力学的局限性 1.了解经典力学的发展历程和伟大成就，认识经典力学的局限性和适用范围. 物理观念 2.了解爱因斯坦的相对论时空观，知道光速不变原理、时间延缓效应和长度收缩效应. 物理观念 3.了解相对论、量子力学和经典力学的关系. 物理观念 知识点一　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，并证明电磁波的传播速度等于__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：在不同的参考系中，光的传播速度都是__一样__的． 3．爱因斯坦假设：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是__相同__的；真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是__相同__的． 4．时间延缓效应：完成同一动作，在惯性参考系上的时间间隔Δτ和在地面上的人的时间间隔Δt之间的关系是Δt＝)2＜1，所以总有Δt>Δτ，此种情况称为时间延缓效应． ，由于1－( 5．长度收缩效应：如果与杆相对静止的人测得杆长是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l＝l0)2<1，所以总有l<l0，此种情况称为长度收缩效应． ，由于1－( 6．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__运动状态__有关． 知识点二　牛顿力学的成就与局限性 1．电子、质子、中子等微观粒子不仅具有__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经典力学来说明，而__量子力学__能够很好地描述微观粒子的运动规律． 2．经典力学的适用范围：只适用于__低速__运动，不适用于__高速__运动；只适用于__宏观__世界，不适用于__微观__世界． 1．判断下列说法的正误． (1)洲际导弹的速度有时可达到6 000 m/s，此速度在相对论中属于高速．(　　) (2)时间间隔和长度在任何时候都不会变．(　　) (3)对于高速运动的物体，它的长度随着速度的增大而减小．(　　) (4)对于宏观物体的低速运动问题，相对论、量子力学与经典力学是一致的．(　　) 答案 (1)× 　(2)×　(3)√　(4)√ 2．已知μ子低速运动时的平均寿命是3.0 μs.当μ子以0.99c的速度飞行，若选择μ子为参考系，此时μ子的平均寿命是多少？对于地面上的观测者来说，平均寿命又是多少？ 答案 若选择以μ子为参考系，μ子做低速运动，平均寿命为3.0 μs；对地面观察者来说，μ子高速飞行，平均寿命Δt＝≈21 μs. 考点一　对相对论时空观的理解 【例题1】 爱因斯坦在狭义相对论中指出，光在真空中传播的速度与参考系的选取是无关的．一列火车以速度v相对地面运动，在车厢的正中央装有一盏闪光灯，当它闪光时，有两个光子分别向前、向后传播，在火车的前后两端装有设备，使坐在车中的观察者能测知这两个光子何时到达两端，通过某种巧妙的装置，静止在地面上的另一观察者也能测知这两个光子的传播过程，若车厢长为l，则： (1)车厢内的观察者测得两光子从闪光开始到抵达前后端各需要多少时间？时间差为多少？ (2)静止于地面的观察者测得两光子从闪光开始到抵达前后端各需要多少时间？时间差为多少？ 解析 (1)以车厢为参考系，两个光子均以光速传播t1＝；即两个光子同时到达前后端，时间差为t2－t1＝0. ，t2＝ (2)以地面为参照物，光子仍以光速传播，设向前运动光子与前端相遇时间为t1，则ct1＝. ；即两光子不同时到达前后端，时间差为t1－t2＝－vt2，所以t2＝；设向后运动光子与后端相遇时间为t2，则ct2＝＋vt1，所以t1＝ 答案 (1)　　　0　(2)　 【变式1】 (多选)对于公式m＝，下列说法正确的是(　　) A．式中的m0是物体以速度v运动时的质量 B．当物体的运动速度v>0时，物体的质量m>m0，即物体的质量改变了，故经典力学不适用 C．当物体以较小速度运动时，质量变化十分微弱，经典力学理论仍然适用，只有当物体以接近光速运动时，质量变化才明显，故经典力学适用于低速运动，而不适用于高速运动 D．通常由于物体的运动速度较小，质量的变化无法引起我们的感觉，故在分析地球上物体的运动时，不必考虑质量的变化 答案　CD 解析　公式中m0是静止时的质量，m是物体以速度v运动时的质量，选项A错误；由公式可知，只有当v接近光速时，物体的质量变化才明显，低速情况下物体的质量变化十分微小，经典力学仍然适用，我们仍可按照经典力学方法去处理问题，选项B错误，C、D正确． 考点二　牛顿力学的成就与局限性 【例题2】 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、