7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性-【正禾一本通】2023-2024学年新教材高一物理必修2同步课堂高效讲义教师用书(人教版）

第五节 相对论时空观与牛顿力学的局限性► 对应学生用书P74 【课标要求】　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。 3．关注宇宙起源和演化的研究进展。 知识点一 | 相对论时空观 教材新知梳理 1．爱因斯坦假设 (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。 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－＜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－<1，所以总有l<l0，此种情况称为长度收缩效应。 3．相对论时空观 Δt＝和l＝l0表明运动物体的长度(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。它所反映的时空观称作相对论时空观。 关键核心突破 [任务驱动] 如图所示，静止在地球上的人测得地月之间的距离为l0，坐在高速飞行飞船里的宇航员测得地月之间的距离仍为l0吗？ 提示：不是，宇航员测得的地月之间的距离小于l0。 [要点培优] 1．狭义相对论的两个假设 在经典力学中，v船岸＝v船水＋v水岸成立，但在两个不同参考系中，爱因斯坦认为该式不成立。1905年，爱因斯坦提出了两条基本假设(狭义相对论的基础)。 (1)相对性原理 在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。 (2)光速不变原理 真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。 2．狭义相对论的两个效应 (1)时间延缓效应 运动时钟会变慢，即Δt＝。 (2)长度收缩效应 运动长度l会收缩，即l＝l0。 题组应用培优 [例1] 地面上长100 km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30 km/s的速度掠过，则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少？如果火箭的速度达到0.6c，则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少？ 解析：当火箭速度较低时，长度基本不变，还是100 km。当火箭的速度达到0.6c时，由长度收缩效应公式l＝l0 代入相应的数据解得 l＝(100×) km＝80 km。 答案：100 km　80 km [训练] 1.一艘太空飞船静止时的长度为30 m，他以0.6c(c为光速)的速度沿长度方向飞行越过地球，下列说法正确的是(　　 ) A．飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30 m B．地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 m C．飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于c D．地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c 解析：选B。由l＝l0知A错误，B正确；由相对论时空观的基本假设知光信号的速度都等于c，C、D错误。 知识点一 | 牛顿力学的成就与局限性 教材新知梳理 1．牛顿力学的成就：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： (1)微观世界：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。 (2)牛顿力学只适用于低速运动，不适用于高速运动。 关键核心突破 [任务驱动] 粒子对撞机可以把质子加速到接近于光速，如图所示。经典力学是否适用于质子的运动规律？如何研究质子的运动规律？ 提示：不适用。经典力学只适用于宏观低速运动，描述微观高速粒子的运动要用到量子力学。 [要点培优] 1．微观世界 电子、质子、中子等微观粒子的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明，而量子力学能够很好地描述微观粒子的运动规律。 2．经典力学的适用范围 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。 3．经典力学与相对论、量子理论的比较 (1)区别 狭义相 对论 经典力学适用于低速运动的物体；狭义相对论阐述物体在接近光速运动时所遵循的规律 量子 力学 经典力学适用于宏观世界；量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律 广义相 对论 经典力学在弱引力的情况下与实验结果符合得很好；爱因斯坦的广义相对论能够解释强引力情况下的作用规律 (2)联系 ①当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与经典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，量子力学和经典力学的结论没有区别。 ③相对论和量子力学并没有否定经典力学，经典力学是二者在一定条件下的特殊情形。 题组应用培优 [例2] 火箭发射升空，并成功将卫星送入预定轨道。下列说法正确