第七章 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性-【金版新学案】2023-2024学年新教材高一物理必修第二册同步课堂高效讲义教师用书（人教版）

5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 【学习目标】 学科知识 学科能力 学科素养 1.绝对时空观 2.相对论时空观 3.牛顿力学的成就与局限性 1.理解相对论的两个基本假设 2.知道时间延缓效应和长度缩短效应 3.认识牛顿力学的局限性和使用范围 4.理解牛顿力学与相对论和量子力学 1.物理观念：形成初步的相对论时空观，了解长度的收缩效应和时间的延缓效应 2.科学思维：能对长度的收缩效应和时间的延缓效应问题进行分析 3.科学探究：查阅相对论时空观的验证资料，体会人类对自然地探究是不断深入的 4.科学态度与责任：有学习和研究时间延缓效应和长度收缩效应的内在动机，研究中坚持实事求是，在探究合作中既能坚持观点又能修正错误 知识点一　相对论时空观 日常生活中我们并没有发现物体的长度随着运动速度发生变化，假设物体以接近光速的速度运动，你认为它的长度变化吗？ 提示：根据相对论时空观，物体沿着运动方向上的长度会变短。 1．爱因斯坦的两个假设 (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参考系中大小都是相同的。 2．时间和空间的相对性 (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＝，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。 学生用书↓第85页 3．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。 【判断正误】 1．一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，这是经典物理学家的观点。(　　 ) 2．一根杆的长度静止时为l0，不管杆如何运动，杆的长度均小于l0。(　　 ) 3．“动钟变慢”是时钟的精度因运动而发生了变化。(　　 ) 4．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。(　　 ) 5．高速运动的飞船中的航天员发现地面的时钟变慢了。(　　 ) 答案：1.√　2.×　3.×　4.√　5.√ 1．时间延缓效应的理论依据是光速不变原理。时间延缓效应是时空的一种属性，在运动参考系中的时间节奏变缓慢了。 2．日常生活中的时间延缓效应可以忽略，但在运动速度接近光速时，其影响比较大。 3．同一物体的长度在不同的参考系内测量，会得到不同的结果，并且速度v越大，长度收缩得越多。 4．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。 如图所示，有三个完全相同的时钟，时钟A放在地面上，时钟B、C分别放在两个火箭上，两个火箭分别以速度vB和vC朝同一方向飞行，vB<vC，对于地面上的观察者来说，以下说法中正确的是(　　 ) A．时钟A走得最慢 B．时钟B走得最慢 C．时钟C走得最慢 D．时钟C走得最快 C　[根据相对论的时空观，运动的时钟变慢，时钟C的速度最大，时钟C走得最慢，C正确，A、B、D错误。] 一枚静止时长度为30 m的火箭以1.5×108 m/s的速度从观察者的身边掠过，已知光速为3×108 m/s，观察者测得火箭的长度约为(　　 ) A．30 m B．15 m C．34 m D．26 m D　[根据长度收缩效应有l＝l0，得观察者测得火箭的长度为l＝30×m≈26 m，故D正确，A、B、C错误。] 针对练1.A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，vA>vB，在地面上的人观察到的结果正确的是(　　 ) A．火箭A上的时钟走得最快 B．地面上的时钟走得最快 C．火箭B上的时钟走得最快 D．火箭B上的时钟走得最慢 B　[由Δt＝知，地面上的人观察到的结果为：A、B两火箭上的时钟都变慢了，又vA>vB，则火箭A上的时钟走得最慢，地面上的时钟走得最快，因此B正确，A、C、D错误。] 针对练2.(多选)一枚火箭静止于地面时长为30 m，两个完全相同的时钟分别放在火箭内和地面上。若火箭以速度v＝0.5c飞行，光速为c，下列判断正确的是(　　 ) A．火箭上的观察者测得火箭的长度仍为30 m B．地面上的观察者测得火箭的长度仍为30 m C．火箭上的观察者认为地面上的时钟走得快 D．地面上的观察者认为火箭上的时钟走得慢 AD　[一枚静止时长30 m的火箭以0.5c的速度飞行，根据相对论时空观得火箭上的人测得火箭的长度为30 m，故A正确；根据l＝l0得地面上