7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性-【赢在微点】轻松课堂2023-2024学年新教材高中物理必修 第二册（人教版）

5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 1.了解相对论的时空观,知道时间延缓效应和长度收缩效应。 2.了解牛顿力学的成就与局限性,知道牛顿力学的适用范围。 3.了解科学理论的相对性,体会科学理论是不断发展和完善的。 　　《西游记》中有“天上一日,地上一年”的说法,于是每次孙悟空去天上搬救兵时都不敢停留,唯恐师父遭妖怪的毒手。 从科学的角度看,“天上”的时间真的比地上的时间快吗? 　 知|识|梳|理 一、相对论时空观 1.牛顿力学理论与电磁波理论的矛盾与冲突。 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,这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符。 2.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。 3.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 v<c,所以总有Δt>Δτ,此种情况称为时间延缓效应。 4.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 v<c,所以总有l<l0,此种情况称为长度收缩效应。 二、牛顿力学的成就与局限性 1.牛顿力学的适用范围:宏观物体,低速运动。 2.相对论与量子力学没有否定牛顿力学,牛顿力学是在一定条件下的特殊情形。 预|习|自|检 1.判断正误(正确的画“√”,错误的画“×”) (1)在牛顿力学中,位移的测量与参考系的运动情况无关。 (√) (2)牛顿运动定律在物体速度达到几千米每秒时就不再适用了。 (×) (3)相对论理论认为,在不同的惯性参考系中,真空中的光速是不变的。 (√) (4)在相对论理论中,物体的长度和物理过程的快慢都不会随物体的速度的变化而变化。 (×) (5)量子力学不能描述微观粒子的运动规律。 (×) 2.下列说法中正确的是 (　　) A.牛顿力学适用于任何情况下的任何物体 B.相对论否定了牛顿力学 C.量子力学能够描述微观粒子运动的规律性 D.万有引力定律在任何情况下都适用 解析　牛顿力学只适用于宏观、低速的情况,故A项错误;相对论没有否定牛顿力学,在宏观、低速情况下,相对论的结论与牛顿力学没有区别,故B项错误;量子力学正确描述了微观粒子运动的规律,故C项正确;万有引力定律在宏观、低速情况下适用,在接近光速时有很大偏差,故D项错误。 答案　C 　 探究一 相对论时空观 1.低速与高速的概念。 (1)低速:远小于光速的速度为低速,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的运动皆为低速运动。 (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。 2.经典的时空观与相对论时空观的比较。 经典时空观 相对论时空观 光速 相对的 绝对的(不变) 时间 与运动无关,绝对的 与运动有关,相对的,有时间延缓效应 空间 与运动无关,绝对的 与运动有关,相对的,有长度收缩效应 3.速度对物理规律的影响: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,需要用相对论来处理。 【例1】　(多选)接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相同的铯原子钟,飞船和地球上的人分别观测这两只钟的快慢,下列说法正确的有 (　　) A.飞船上的人观测到飞船上的钟较快 B.飞船上的人观测到飞船上的钟较慢 C.地球上的人观测到地球上的钟较快 D.地球上的人观测到地球上的钟较慢 解析　飞船相对地球高速运动,所以地球上的人观测飞船上的时钟较慢,即地球上的人观测到地球上的钟较快,而地球相对飞船高速运动,所以飞船上的人观测地球上的时钟较慢,即飞船上的人观测到飞船上的钟较快,所以A、C两项正确,B、D两项错误。 答案　AC 【针对训练1】　(多选)对于牛顿力学理论,下列说法中正确的是 (　　) A.牛顿力学是物理学和天文学的基础,也是现代工程技术的理论基础 B.牛顿力学的理论体系是经过几代科学家长期的探索,历经曲折才建立起来的 C.牛顿力学具有丰富的理论成果,也建立了验证科学的方法体系 D.当物体运动速度很大(v→c)、引力很强、活动空间很小(微观)时,牛顿力学理论所得的结果与实验结果之间符合的很好 解析　牛顿力学理论的探索历程曲折,成果显著,但也存在一些局限性,A、B、C三项正确;当物体运动速度很大(v→c)、引力很强、活动空间很小(微观)时,牛顿力学理论所得的结果与实验结果之间出现了较大的偏差,D项错误。 答案　ABC 探究二