第7章 第5节 相对论时空观与牛顿力学的局限性（课件PPT）-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年高中物理必修第二册（人教版2019）

万有引力与宇宙航行 第七章　 第5节　相对论时空观与牛顿力学的局限性 返回目录 物理　必修第二册 　 课前　教材预案 课堂　深度探究 课末　随堂演练 课时作业(十七) 课前　教材预案 知识点1　相对论时空观 电磁波 光速c 一样 相同 相同 返回目录 物理　必修第二册 　 > 有关 返回目录 物理　必修第二册 　 有关 < 返回目录 物理　必修第二册 　 知识点2　牛顿力学的成就与局限性 牛顿运动定律 万有引力 低速 宏观 不相同 返回目录 物理　必修第二册 　 不会 远小于光速c 返回目录 物理　必修第二册 　 × × √ √ 返回目录 物理　必修第二册 　 3.0 μs 3.0 μs 返回目录 物理　必修第二册 　 课堂　深度探究 考点1　相对论时空观 返回目录 物理　必修第二册 　 返回目录 物理　必修第二册 　 返回目录 物理　必修第二册 　 返回目录 物理　必修第二册 　 返回目录 物理　必修第二册 　 返回目录 物理　必修第二册 　 返回目录 物理　必修第二册 　 考点2　牛顿力学的成就与局限性 返回目录 物理　必修第二册 　 返回目录 物理　必修第二册 　 返回目录 物理　必修第二册 　 返回目录 物理　必修第二册 　 返回目录 物理　必修第二册 　 返回目录 物理　必修第二册 　 返回目录 物理　必修第二册 　 课末　随堂演练 返回目录 物理　必修第二册 　 返回目录 物理　必修第二册 　 返回目录 物理　必修第二册 　 返回目录 物理　必修第二册 　 返回目录 物理　必修第二册 　 返回目录 物理　必修第二册 　 返回目录 物理　必修第二册 　 返回目录 物理　必修第二册 　 制 作 者：状元桥 适用对象：高中学生 制作软件：Powerpoint2010、 Photoshop cs3 运行环境：WindowsXP以上操作系统 [学习目标] 1.了解相对论时空观，知道时间延缓效应和长度收缩效应(物理观念).2.认识牛顿力学的成就、适用范围及局限性(物理观念).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(物理观念)． 1．19世纪，英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了__________的存在，并证明电磁波的传播速度等于__________. 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________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________的；真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是________的． 4．时间延缓效应 (1)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＝______________. (2)Δt与Δτ的关系总有Δt_____Δτ(选填“＞”“<”或“＝”)，即物理过程的快慢(时间进程)跟物体的运动状态________(选填“有关”或“无关”)． 5．长度收缩效应 (1)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＝ _____________. (2)l与l0的关系总有l______l0(选填“＞”“<”或“＝”)，即运动物体的长度(空间距离)跟物体的运动状态________(选填“无关”或“有关”)． l0 1．牛顿力学的成就：牛顿力学的基础是________________，__________定律的建立与应用更是确立了人们对牛顿力学的尊敬. 2．牛顿力学的局限性：牛顿力学的适用范围是________(选填“高速”或“低速”)运动的________(选填“宏观”或“微观”)物体． (1)当物体以接近光速运动时，有些规律与牛顿力学的结论__________. (2)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牛顿力学来说明． 3．牛顿力学________被新的科学成就所否定，当物体的运动速度________________时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别． 1．判断下列说法的正误． (1)洲际导弹的速度有时可达到6 000 m/s，此速度在相对论中属于高速．(　　) (2)时间间隔和长度在任何时候都不会变．(　　) (3)对于高速运动的物体，它的长度随着速度的增大而减小．(　　) (4)对于宏观物体的低速运动问题，相对论、量子力学与经典力学是一致的．(　　) 2．已知μ子低速运动时的平均寿命是3.0 μs.当μ子以0.99c的速度飞行，若选择μ子为参考系，此时μ子的平均寿命是________；对于地面上的观测者来说，平均寿命又是________. 【情境导学】 如图所示，高速运行的列车车厢，车顶上有一个反光镜，列车上一个人对着反光镜发射一束光． 思考：列车上的人和地面上的人观察到的光的往返时间是否相同？ 提示　不同． 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． 2．相对论的两个效应 (1)时间延缓效应：运动的时钟会变慢，即Δt＝. (2)长度收缩效应：运动长度会收缩，即l＝l0. 【例题1】 一艘太空飞船静止时的长度为30 m，它以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 思维导引：理解光速不变原理．理解长度收缩效应． 答案　B 解析　由l＝l0知，选项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，选项C、D错误． 【变式1】 (多选)仅考虑狭义相对论效应，在高速飞行的火箭里的时钟走过10 s，理论上在底面的观测者测得的时间(　　) A．大于10 s B．小于10 s C．等于10 s D．都有可能 答案　A 解析　由爱因斯坦相对论时空观有Δt＝，由上述公式推理可知Δt＞Δτ，所以在地面上观察者测得的时间大于10 s，选项A正确． 【情境导学】 如图所示，质子束被加速到接近光速，牛顿力学适用于质子束的运动规律吗？ 提示　不适用． 1．牛顿力学的局限性及适用范围 (1)牛顿力学适用于低速运动的物体，相对论阐述了物体在以接近光速运动时所遵循的规律． (2)牛顿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． 2．相对论和量子力学没有否定牛顿力学 (1)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； (2)当另一个重要常数即普朗克常量可以忽略不计时，量子力学和牛顿力学的结论没有区别． (3)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． 【例题2】 (多选)关于经典力学、狭义相对论和量子力学，下列说法正确的是(　　) A．狭义相对论和经典力学是相互对立的，互不相容的两种理论 B．在物体高速运动时，物体的运动规律遵循狭义相对论，在低速运动时，物体的运动遵循牛顿运动定律 C．经典力学适用于宏观物体的运动，量子力学适用于微观粒子的运动 D．不论是宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的 思维导引：理解相对论，量子力学与经典力学的关系，以及各自的适用情形． 答案　BC 解析　相对论并没有否定经典力学，而是认为经典力学是相对论在一定条件下的特殊情况，选项A错误；经典力学适用于宏观物体的低速运动，对于微观粒子的高速运动问题，经典力学不再适用，但相对论、量子力学适用，选项B、C正确，D错误． 【变式2】 关于经典力学，下列说法正确的是(　　) A．相对论与量子力学否定了经典力学理论 B．经典力学可以解决自然界中所有的问题 C．经典力学适用于微观领域质子、电子的运动 D．经典力学适用于发射的导弹、人造卫星、宇宙飞船的运动 答案　D 解析　相对论与量子力学并没有否定经典力学，而是在其基础上发展起来的，有各自成立范围，选项A错误；经典力学只能解决宏观低速物体的问题，对于微观或高速的物体不再适用，选项B、C错误； 经典力学适用于宏观低速物体，适用于发射的导弹、人造卫星、宇宙飞船的运动，选项D正确． 1．(相对论时空观)如图所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为(　　) A．0.4c B．0.5c C．0.9c D．c 答案　D 解析　根据爱因斯坦相对论，在任何参考系中，光速不变，即光速不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变，所以壮壮观测到该光束的传播速度为c，选项A、B、C错误，D正确． 2．在一个高速旋转的巨大转盘上放置三个完全相同的时钟，a放在转轴处，b放在中间，c放在边缘处，如图所示．对于地面上的观察者，根据相对论认为三个时钟的快慢情况，下列说法正确的是(　　) A．a钟最快，b、c钟一样慢 B．a钟最慢，b、c钟一样快 C．a钟最快，c钟最慢 D．a钟最慢，c钟最快 答案　C 解析　根据公式Δt＝，地面上的观察者认为c钟走得最慢，因为它相对观察者的速度最大；b钟比c钟快一些，而a钟最快，因为它的速度最小，选项C正确． 3．(相对论时空观)(多选)一列车的长度与桥梁长度相同．列车以接近光速通过桥梁，地面的观察者和列车内的观察者看到车头刚通过这座桥时(　　) A．地面的观察者看到车尾已上桥 B．地面的观察者看到车尾未上桥 C．列车内的观察者看到车尾已上桥 D．列车内的观察者看到车尾未上桥 答案　AD 解析　根据相对论，地面上的观察者看到的高速运动的列车比静止时更短，也就是比静止的桥短，所以地面观察者看到车头刚通过这座桥时，车尾已上桥，选项A正确，B错误；列车内观察者看到列车是静止的，列车长度不变，桥高速运动，桥变短了，所以列车内观察者看到车头刚通过这座桥时，车尾在桥外(未上桥)，选项C错误，D正确． 4．(牛顿力学的成就与局限性)通过一个加速装置对电子施加一很大的恒力，使电子从静止开始加速，则对这个加速过程，下列描述正确的是(　　) A．根据牛顿第二定律，电子将一直做匀加速直线运动 B．电子先做匀加速直线运动，后以光速做匀速直线运动 C．电子开始近似于匀加速直线运动，后来质量增大，牛顿运动定律不再适用 D．电子是微观粒子，整个加速过程根本就不能用牛顿运动定律来解释 答案　C 解析　电子在加速装置中由静止开始加速运动，初始阶段速度较小，远小于光速，此时牛顿运动定律基本适用，可以认为在它被加速的最初阶段，它做匀加速运动；随着电子速度越来越大，接近光速时，相对论效应越来越明显，质量增大，它不再做匀加速直线运动，牛顿运动定律不再适用，选项C正确． $$