7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性-2021-2022学年高中物理同步训练讲义（人教版2019必修第二册）

第七章 万有引力与宇宙航行 7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性 【知识梳理】 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！这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符(填“相符”或“不符”). 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 (1)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Δτ，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Δt，那么两者之间的关系是Δt＝. (2)Δt与Δτ的关系总有Δt＞Δτ，即物理过程的快慢(时间进程)与运动状态有关.(填“有关”或“无关”) 5.长度收缩效应： (1)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)l与l0的关系总有l＜l0，即运动物体的长度(空间距离)跟物体的运动状态有关.(填“无关”或“有关”) 二、牛顿力学的成就与局限性 1.牛顿力学的成就：牛顿力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律的建立与应用更是确立了人们对牛顿力学的尊敬. 2.牛顿力学局限性：牛顿力学的适用范围是低速(填“高速”或“低速”)运动的宏观(填“宏观”或“微观”)物体. (1)当物体以接近光速运动时，有些与牛顿力学的结论不相同. (2)电子、质子、中子等微观粒子的运动不能用牛顿力学来说明. 3.牛顿力学不会被新的科学成就所否定，当物体运动的速度远小于光速c时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别. 【基础小练】 1.判断下列说法的正误. (1)运动的时钟显示的时间变慢，高速飞行的μ子的寿命变长.(　√　) (2)沿着杆的方向，相对于观察者运动的杆的长度变短.(　√　) (3)经典力学只适用于世界上普通的物体，研究天体的运动经典力学就无能为力了.(　×　) (4)洲际导弹的速度可达到6 000 m/s，在这种高速运动状态下，经典力学不适用.(　×　) (5)当物体的速度接近光速时，经典力学就不适用了.(　√　) (6)对于质子、电子的运动情况，经典力学同样适用.(　×　) 2.以约8 km/s的速度运行的飞船上，一只完好的手表走过1 h，地面上的时钟显示的时间________(填“大于”“等于”或“小于”)1 h. 答案　大于 【能力提升】 一、相对论时空观 导学探究 地球绕太阳公转的速度是3×104 m/s，设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，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空，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？ 答案　(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(显示的时间少). 知识深化 1.低速与高速 (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. 2.相对论的两个效应 (1)时间延缓效应：运动时钟会变慢，即Δt＝. (2)长度收缩效应：运动长度会收缩，即l＝l0. 3.对于低速运动的物体，相对论效应可以忽略不计，一般用经典力学规律来处理；对于高速运动问题，经典力学不再适用，需要用相对论知识来处理. 在静止坐标系中的正立方体边长为l0，另一坐标系以相对速度v平行于正立方体的一边运动.问在后一坐标系中的观察者测得的立方体的体积是多少？ 答案　l03 解析　本题中正立方体相对于另一坐标系以速度v运动，一条边与运动方向平行，则坐标系中观察者测得该条边的长度为l＝l0 测得立方体的体积为V＝l02l＝l03. 物体静止长度l0和运动长度l之间的关系为l＝l0 相对于地面以速度v运动的物体，从地面上看： (1)沿着运动方向上的长度变短了，速度越大，变短得越多. (2)在垂直于运动方向不发生长度收缩效应现象. A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，vA＞vB，在地面上的人观察到的结果正确的是(　　) A.火箭A上的时钟走得最快 B.地面上的时钟走得最快 C.火箭B上的时钟走得最快 D.火箭B上的时钟走得最慢 答案　B 解析　在地面上的人看来，A、B两火箭都远离自己，由Δt＝知，地面上的