第七章 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】2023-2024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 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不断揭开。 [对应学生用书P86] 一、相对论时空观→ 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。 (2)1887年的迈克耳孙—莫雷实验以及其他些实验表明： 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　 ① 由于1－<1，所以总有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　② 由于1－<1，所以总有l<l0，此种情况称为长度收缩效应。 ①式和②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。 ↓ 相对论和量子力学的建立并没有否定经典力学，经典力学是相对论及量子力学在一定条件下的特例 二、牛顿力学的成就与局限性 1．牛顿力学及其成就 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重。 2．从宏观到微观 19世纪末和20世纪初，人们相继发现了电子、质子、中子等微观粒子，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，物理学家们建立了量子力学，用量子力学理论就可以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；当另一个重要常量即普郎克常量h可以忽略不计时，量子力学和牛顿力学的结论没有区别。 1．(物理与科技)如图所示，质子束被加速到接近光速，判断下列说法的正误。(对的画“√”，错的画“×”) (1)经典力学在任何情况下都适用。(　　×　　) (2)质子被加速到接近光速，其动能为。(　　×　　) (3)运动的时钟显示的时间变慢，高速飞行的μ子的寿命变长。(　　√　　) (4)洲际导弹的速度可达6 000 m/s，在这种高速运动状态下，经典力学不适用。(　　×　　) (5)描述质子、电子的运动情况时，经典力学同样适用。(　　×　　) 2．(教材拓展P67)高速运动的μ子寿命变长这一现象，用经典理论无法解释，用相对论时空观可以很好地解释。这成了相对论时空观的最早证据。 (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)相对论物理学、量子力学和牛顿力学是否矛盾？ 提示：(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)不矛盾。 [对应学生用书P87] 探究点一 相对论时空观 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短；在其他参考系内观测，这段时间要长些。这就是时间间隔的相对性，也称为“时间延缓”“时间膨胀”或“钟慢效应”。 (3)空间距离的相对性：当物体相对于观测者运动时，在运动的方向上，观测者测得的该物体的长度要缩短，而垂直于运动方向的长度不会发生变化。这就是空间距离的相对性，也称为“长度收缩”或“尺缩效应”。 3．物体的质量随速度的增大而增大，即m＝，其中m0为物体静止时的质量，m是物体速度为v时的质量，c是真空中的光速。在高速运动时，质量是与运动状态密切相关的。 注意：根据广义相对论，物体的引力场会