第7章 第5节 相对论时空观与牛顿力学的局限性（Word教参）-【优化指导】2021-2022学年新教材高中物理必修第二册 (人教版2019)

第5节　相对论时空观与牛顿力学的局限性 核心素养 物理观念 科学态度与责任 1．知道爱因斯坦狭义相对论的基本假设，知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。 2．感受牛顿力学在高速世界与事实的矛盾，知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。知道相对论、量子论有助于人类认识高速、微观领域 了解宇宙起源的大爆炸理论，知道科学真理是相对的，未知世界必将在人类不懈的探索中被揭开更多的谜底 [对应学生用书P67] 知识点一 相对论时空观❶ 1．相对论时空观的产生背景 (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。 2．时间延缓效应与长度收缩效应 (1)时间延缓效应：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完成这个动作的时间间隔为Δt，那么两者之间的关系是Δt＝。由于物体的速度不可能达到光速，所以1－2<1，总有Δt>Δτ，此种情况称为时间延缓效应。 (2)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　，由于1－2<1，所以总有l<l0，此种情况称为长度收缩效应。 (3)上述公式表明：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。这个结论具有革命性的意义，它所反映的时空观称作相对论时空观。❷ 1．时间延缓效应是说时钟走得慢了。(　　×　　) 2．长度收缩效应表明物体真实长度变小。(　　×　　) 3．长度、时间的测量结果会随物体与观察者的相对运动状态的改变而改变。(　　√　　) 知识点二 牛顿力学的成就与局限性 1．牛顿力学及其成就❸ 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．从宏观到微观 19世纪末和20世纪初，物理学研究深入到微观世界，发现了电子、质子、中子等微观粒子，而且发现它们不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明。20世纪20年代，量子力学建立了，它能够很好地描述微观粒子运动的规律。 3．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；当另一个重要常数即普朗克常量h可以忽略不计时，量子力学与牛顿力学的结论没有区别。 1．经典力学在任何情况下都适用。(　　×　　) 2．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。(　　√　　) 3．经典力学不适用于高速运动的物体，但适用于微观世界。(　　×　　) 批注❶：绝对时空观(牛顿力学时空观) 时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的。这种绝对时空观，也叫牛顿力学时空观。其中v船岸＝v船水＋v水岸这类表达式，又被称为伽利略变换，是牛顿力学研究相对运动问题的基本原理之一。 绝对时空观的三点特征： (1)同时的绝对性。(2)时间间隔的绝对性。(3)空间距离的绝对性。 批注❷：相对论时空。 经典力学是相对论及量子力学在一定条件下的特例，它包含于相对论和量子力学中，相对论和量子力学的建立并没有否定经典力学。 批注❸：牛顿力学的成就 (1)实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。 (2)确定了自然科学应有的基本特征。 (3)将“实验和数学”相结合的方法推广到物理学的各个分支，形成了完整的经典力学体系。 [对应学生用书P68] 探究点一　相对论时空观　(运动观念之形成) ►情境探究 列车K的某车厢的中央发生了一个闪光，车厢中的人认为闪光同时到达了前后两壁(事件A和B)。不同的是，列车K静止在车站里，另一列车L从旁边呼啸而过。那么，在运动的列车L里，观察者认为，沿着运动方向位置靠前一些的事件A先发生，还是靠后一些的事件B先发生？ 提示：A先发生。 ►探究归纳 1．绝对时空观 (1)惯性参考系：如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系就被称为惯性参考系，所有相对于惯性参考系静止或做匀速直线运动的参考系都是惯性参考系。 (2)非惯性参考系：牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性参考系。 (3)伽利略相对性原理：在所有的惯性参考系中，力学规律都具有相同的形式。 (4)绝对时空观：时间和空间彼此独立、互不关联。 2．时空相对性 (1)同时性的相对性：在一个惯性参考系中同时发生的两个事件，在另一个惯性参考系看来是不同时的。 (2)时间的相对性：同样的两件事，在它们发生于同一地点的参考系内所经历的时间最