第七章第五节 相对论时空观与牛顿力学的局限性-2023-2024学年高一物理精剖细解讲义（人教版2019必修第二册）

第七章第五节 相对论时空观与牛顿力学的局限性 ——精剖细解学习讲义 知识点：相对论时空观与牛顿力学的局限性 1、相对论时空观与牛顿力学的局限性 牛顿力学时空观： 绝对时空观（牛顿力学时空观）：时间和空间都是独立于物体及其运动而存在的。该观点认为时间和空间是相互独立的。 不同参考性系之间的速度变换关系满足伽利略变换，比如河中的水以相对于岸的速度v 水岸流动，河中的船以相对于水的速度v 船水顺流而下，则船相对于岸的速度为v船岸＝v船水＋v 水岸。 相对论时空观： 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。 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。 爱因斯坦两个假设： 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。 相对论的两个效应： 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＝。 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。 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。 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。 低速运动：通常所见物体的运动，如投出的篮球、行驶的汽车、发射的导弹等物体皆为低速运动物体。 高速运动：物体的速度可以与光速相接近（比如有些微观粒子在一定条件下的速度），这样的速度称为高速。 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，经典力学规律不再适用，需要用相对论知识来处理。 相对论的两个效应可以总结如下： 运动时钟会变慢，即Δt＝；运动长度会收缩，即l＝l0。 注意：相对于地面以速度v运动的物体，从地面上看沿着运动方向上的长度变短了，速度越大，变短得越多，而在垂直于运动方向不发生长度收缩效应现象。 “同时”的相对性 经典的时空观：在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察也是相同的。 相对论的时空观：“同时”具有相对性，即在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察不一定同时。 “长度”的相对性 经典的时空观：一列火车的长度不会因为观察者是否与火车做相对运动而不同。 相对论的时空观：“长度”也具有相对性，一列沿自身长度方向运动的火车，其长度总比静止时的长度小。 牛顿力学的成就与局限性 成就：从地面上物体的运动到天体的运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动，这些运动都服从牛顿力学的规律。牛顿力学在如此广阔的领域里与实际相符合，显示了牛顿运动定律的正确性和牛顿力学的魅力。 局限性：牛顿力学只适用于宏观世界低速运动的物体，不能描述微观世界粒子的运动规律。 当物体的速度接近光速时，需要利用相对论来阐述其运动的规律。 微观粒子的运动规律不能用牛顿力学来描述，需要利用量子力学规律来进行描述。 当物体的运动速度远小于光速时，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。 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。 1．下列物理现象，用牛顿力学无法解释的是（　　） A．高速运动的子寿命变长 B．人造卫星绕地球做匀速圆周运动 C．汽车转弯时发生的侧滑现象 D．随瀑布自由下落的物体不受浮力作用 2．下列说法正确的是（    ） A．在经典力学和狭义相对论中，物体的质量都不随运动状态的改变而改变 B．狭义相对论和经典力学是完全不同、相互矛盾的两个理论 C．地面上汽车的运动，服从经典力学的规律，而处理人造地球卫星、航天飞机等高速问题，则必须用到相对论理论 D．上述说法都不正确 3．关于物理学相关知识，下列叙述中正确的是（　　） A．“牛顿”可以是国际单位制中的基本单位 B．小船渡河时因水流速度忽然增大而缩短了渡河的时间 C．狭义相对论以两个基本假设为前提：相对性原理和光速不变原理 D．通过万有引力定律计算可知，只要适当调整高度，惠来上空也可能存在同步卫星 4．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 5．2015年9月科学家探测到宇宙中距离我们