第7章 第5节 相对论时空观与牛顿力学的局限性（Word教参）-【新课程学案】新教材2023-2024学年高中物理必修第二册（人教版2019，山东海南专用）

第5节　相对论时空观与牛顿力学的局限性 (强基课—逐点理清物理观念) 课标要求 层级达标 1.知道牛顿力学的局限性，体会人类对自然界的探索是不断深入的。 2.初步了解相对论时空观。 学考层级 1.知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。 2.知道相对论、量子力学有助于人类认识高速、微观领域。 3.知道爱因斯坦的两个假设。 4.知道时间延缓效应和长度收缩效应。 选考层级 1.了解爱因斯坦的两个假设，知道牛顿力学的局限性。 2.能对时间延缓效应和长度收缩效应问题进行分析。 逐点清(一)　相对论时空观 [多维度理解] 1．绝对时空观：时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的，也叫牛顿力学时空观。 2．爱因斯坦的假设 (1)在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的； (2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。 3．时间延缓效应：Δt＝。 4．长度收缩效应：l＝l0 。 5．相对论时空观：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。 1．惯性系和非惯性系 (1)牛顿运动定律能够成立的参考系为惯性系，相对于这个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。 (2)牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系。 2．相对性原理 (1)根据麦克斯韦的电磁理论，真空中的光速在任何惯性系中都是一个常量。 (2)迈克耳孙—莫雷实验证明：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是相同的。 3．长度的相对性——动尺变短 狭义相对论中的长度公式：l＝l0 ，公式中l0是相对于杆静止的观察者测出的杆的长度，而l可以认为是杆沿自己的长度方向以速度v运动时，静止的观察者测量的长度。 4．时间间隔的相对性——动钟变慢 时间间隔的相对性公式：Δt＝，公式中Δτ是在事件发生地相对静止的观察者测量同一地点的两个事件发生的时间间隔，而Δt是相对于事件发生地以速度v高速运动的观察者测量该地点的两个事件发生的时间间隔。 [全方位练明] 1．1905年爱因斯坦提出了狭义相对论，狭义相对论的出发点是以两条基本假设为前提的，这两条基本假设是(　 ) A．同时的绝对性与同时的相对性 B．运动的时钟变慢与运动的尺子缩短 C．时间间隔的绝对性与空间距离的绝对性 D．相对性原理与光速不变原理 解析：选D　狭义相对论的两个基本假设是相对性原理和光速不变原理，故D正确。 2．A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上，B、C分别放在两个火箭上，以速度vB和vC朝同一方向飞行，vB>vC。在地面上的人看来，关于时钟快慢的说法正确的是(　 ) A．B钟最快，C钟最慢　 B．A钟最快，C钟最慢 C．C钟最快，B钟最慢 D．A钟最快，B钟最慢 解析：选D　根据狭义相对论的时间延缓效应可知，速度越大，钟走得越慢，选项D正确。 3．(2023·广东1月学考)地面上的观察者测得真空中的光速为v1，在匀速直线运动的列车内，观察者测得真空中的光速为v2，根据狭义相对论，下列判断正确的是(　 ) A．v1>v2 B．v1<v2 C．v1＝v2 D．无法确定 解析：选C　根据狭义相对论光速不变原理，光在真空中总是以确定的速度传播，速度的大小同光源的运动状态无关，在真空中的各个方向上，光信号传播速度的大小均相同，光速同光源的运动状态和观察者所处的惯性系无关，可知v1＝v2。故选C。 逐点清(二)　牛顿力学的成就与局限性 [多维度理解] 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。从地面上物体的运动到天体的运动，都服从牛顿力学的规律。 2．牛顿力学的局限性 电子、质子、中子等微观粒子，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。 3．牛顿力学的适用范围 只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界。 4．牛顿力学与相对论、量子力学的比较 牛顿力学(经典力学) 相对论、量子力学 区别 (1)牛顿力学适用于低速运动的物体 (2)牛顿力学适用于宏观世界 (3)牛顿力学在弱引力的情况下与实验结果符合得很好 (1)相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律 (2)量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律 (3)相对论能够解释强引力情况下的作用规律 联系 (1)当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与牛顿物理学的结论没有区别 (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 低速与高速的理解 (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