第七章5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 -【优化探究】2023-2024学年新教材高中物理必修第二册同步导学案配套教参（人教版，多选）

5　相对论时空观与牛顿力学的局限性 学习目标要求 核心素养和关键能力 1.知道爱因斯坦的两条假设，了解时间延缓效应、长度收缩效应，认识牛顿力学的成就与局限性。 2.知道牛顿力学的适用范围，认识物理学中理论的相对稳定性，要有质疑精神。 3.认识迈克耳孙—莫雷实验对光速不变原理的推动作用，体会实验和理论的相互关系。 1.物理观念：爱因斯坦的相对论。 2.科学思维：质疑与实验论证。 授课提示：对应学生用书第92页 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。 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：完成同一动作，在相对于地面以v运动的惯性参考系上的时间间隔Δτ和在地面上的人观察到的时间间隔Δt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。 5．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。 6．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。 二牛顿力学的成就与局限性 1．电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，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，而量子力学能够很好地描述微观粒子的运动规律。 2．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。 授课提示：对应学生用书第92页 　相对论时空观 　静止在地球上的人测得地月之间的距离为l0，坐在从地球高速飞往月球的飞船里的航天员测得的地月之间的距离仍为l0吗？ 提示：不是，航天员测得的地月之间的距离小于l0。 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。 注：对于低速运动问题，一般用牛顿力学规律来处理。对于高速运动问题，牛顿力学已不再适用，需要用相对论知识来处理。 2．爱因斯坦假设中的主要效应 (1)长度收缩效应：运动长度l会收缩，即l＝l0。 (2)时间延缓效应：运动时钟会变慢，即Δt＝。 　一支静止时30 m的火箭以3 km/s的速度从观察者的身边飞过。 (1)观察者测得火箭的长度应为多少？ (2)火箭上的人测得火箭的长度应为多少？ (3)如果火箭的速度为光速的二分之一，观察者测得火箭的长度应为多少？ (4)火箭内完好的手表走过了1 min，地面上的人认为经过了多少时间？ [思路点拨]　解此题的关键是理解公式l＝l0、Δt＝中各符号的意义。 [解析]　火箭上的人相对火箭永远是静止的，无论火箭速度是多少，火箭上的人测得的火箭的长与静止时测得的火箭的长均是l＝30 m，而火箭外面的观察者看火箭时，有相对速度v，则它的测量值要缩短，即l′＜l，由l＝l0得，当v＝3×103 m/s时，l′＝30× m≈30 m，当v＝时，l′≈26 m。火箭上时间Δτ＝1 min，火箭的速度v＝3 km/s，所以地面上观测到的时间Δt＝＝ min≈1 min。 [答案]　(1)30 m　(2)30 m　(3)26 m　(4)1 min 名师点评 理解相对论效应的两点注意 1．时间延缓效应是一种观测效应，不是时钟走快了或走慢了，也不是被观测过程的节奏变化了。 2．长度收缩效应也是一种观测效应，不是物体本身发生了收缩。另外，在垂直于运动方向上不会发生收缩效应。 　1.有兄弟两人，哥哥乘坐宇宙飞船以接近光速的速度离开地球去遨游太空，经过一段时间返回地球，哥哥惊奇地发现弟弟比自己要苍老许多。该现象的科学解释是(　　) A．哥哥在太空中发生了基因突变，停止生长了 B．弟弟思念哥哥而加速生长了 C．由相对论可知，物体速度越大，物体上的时间进程越慢，生理进程也越慢 D．这是神话，科学无法解释 解析：上述故事反映的是爱因斯坦的相对论，爱因斯坦是20世纪伟大的科学家之一，提出相对论，揭示了空间、时间的辩证关系。根据爱因斯坦的相对论，物体高速运动时，运动物体的尺寸变短了，时钟变慢了，因此运用爱因斯坦的相对论可以解释题目中的现象，即物体速度越大，物体上的时间进程越慢，生理进程也越慢，故选C。 答案：C 2．在静止坐标系中测得正立方体边长为l0，另一坐标系以相对速