5 相对论的时空观与牛顿力学的局限性-2022-2023学年高一物理同步备课讲义 (人教版2019必修第二册)

5 相对论的时空观与牛顿力学的局限性 [学习目标] 1. 了解相对论时空观，知道时间延缓效应和长度收缩效应 2. 认识牛顿力学的成就，适用范围及局限性 3. 了解科学理论的相对性，体会科学理论是不断发展和完善的. 1、 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”) 2、 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. 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． 牛顿力学适用于宏观、低速(远小于光速)运动的物体.(　　) 4． 相对论和量子力学的出现，表明牛顿力学已被完全否定了.(　　) 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.(　　) 7． 牛顿力学在理论和实践上取得了巨大的成功，从地面到天体的运动都服从牛顿力学的规律，因此任何情况下都适用.(　　) 知识点一：相对论时空观 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？ 【探究重点】 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. 【例题精讲】 1. 下列关于经典力学的说法正确的是(　　) A.经典力学适用于宏观、低速(远小于光速)运动的物体 B.经典力学适用于微观、高速(接近光速)运动的粒子 C.相对论和量子力学的出现，表明经典力学已被完全否定了 D.经典力学在理论和实践上取得了巨大的成功，从地面到天体的运动都服从经典力学的规律，因此任何情况下都适用 2. (多选)下列说法中正确的是(　　) A.经典力学是以牛顿的三大定律为基础的B.经典力学在任何情况下都适用 C.当物体的速度接近光速时，经典力学就不适用了D.相对论和量子力学的出现，使经典力学失去了意义 3. 关于经典力学、相对论和量子力学，下列说法中正确的是(　　) A.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 【巩固训练】 4. 来自太阳和宇宙深处的高能粒子流，与高层大气作用产生