7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性-2021-2022学年高一物理精梳细讲 讲义（人教版2019必修第二册）

7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性 【基础知识梳理】 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！这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符． 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(填“>”“<”或“＝”)，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(填“>”“<”或“＝”)，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”)． 【实例1】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)在狭义相对论中，地球的公转速度属于低速还是高速？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)地球的公转速度属于低速，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． 【总结】 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的物体． (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：运动的时钟会变慢，即Δt＝. (2)长度收缩效应：运动长度会收缩，即l＝l0. 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．牛顿力学的局限性：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，有些规律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规律在很多情况下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，当物体的运动速度远小于光速c时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别． 【实例2】如图所示，质子束被加速到接近光速，牛顿力学适用于质子束的运动规律吗？ 答案　不适用． 【总结】 1．牛顿力学的局限性及适用范围 (1)牛顿力学适用于低速运动的物体，相对论阐述了物体在以接近光速运动时所遵循的规律． (2)牛顿力学适用于宏观世界，量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律． 2．相对论和量子力学没有否定牛顿力学 (1)当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别； (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． 【例题讲解】 一、单选题 1．500米口径的中国天眼（FAST）是世界上已建成的最大的射电望远镜，可监测脉冲星，探测引力波的存在。而引力波是实验验证爱因斯坦相对论的最后一块“拼图”。关于牛顿力学、相对论和量子力学，下列说法正确的是 （　　） A．牛顿力学适用于研究宏观物体的低速运动 B．由于相对论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值 C．高速运动的μ子寿命变长这一现象，既能用相对论时空观解释，又能用经典理论解释 D．不论是宏观物体，还是微观粒子，牛顿力学和量子力学都是适用的 2．如图所示，小明乘速度为（c为光速）的宇宙飞船追赶正前方的小军，小军的飞行速度为，小明向小军发出一束光进行联络，则小明观测到该光束的传播速度为（　　） A． B． C． D． 3．如图，按照狭义相对论的观点，火箭B是“追赶”光的；火箭A是“迎着”光飞行的。若火箭相对地面的速度均为v，则两火箭上的观察者测出的光速分别为（　　） A．c＋v，c-v B．c，c C．c-v，c＋v D．无法确定 4．年成功发射的“东方红一号”是我国第一颗人造地球卫星，该卫星至今仍沿椭圆轨道绕地球运