第七章 5 相对论时空观与牛顿力学的局限性-【金版新学案】2024-2025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word（人教版2019）

5．相对论时空观与牛顿力学的局限性 【素养目标】　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.了解相对论、量子力学和经典力学的关系。 知识点一　相对论时空观 [情境导学]　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。 (阅读教材P65－P67，完成下列填空) 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－()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。 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。 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 答案：C 解析：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 答案：D 解析：根据长度收缩效应有l＝l0，可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。 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。 学生用书↓第84页 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；对于高速运动的问题，经典力学不再适用，需要用相对论知识来处理。 针对练1.设某人在速度为0.5c的飞船上打开一个光源，(c为真空中传播的光速)则下列说法正确的是(　　) A．飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.5c B．飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5c C．在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是c D．在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c 答案：D 解析：根据爱因斯坦的光速不变原理可知，光在真空中沿任何方向传播速度都是c，则观察者在地面上任何地方和在飞船中观测到光的速度均为c，故选D。 针对练2.假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是(　　) A．这个人是一个矮胖子 B．这个人是一个瘦高个子 C．这个人矮但不胖 D．这个人瘦但不高 答案：D 解析：取路旁的人为惯性参考系，车上的人相对于路旁的人高速运动，根据长度收缩效应，人在运动方向上将变窄，但在垂直于运动方向上没有发生变化，故选D。 知识点二　牛顿力学的成就与局限性　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 [情境导学]　 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。 (阅读教材P68，完成下列填空) 1．牛顿力学的成就：牛顿力学的基础是牛顿运动定律，万有引力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低速运动的宏观物体。 (1)当物体以接近光速运动时，有些规律与牛顿力学的结论不相同。 (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．牛顿力学不会被新的科学成就所否定，当物体的运动速度远小于光速c时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别。 [问题探究]　相对论和量子力学是不是否定了牛顿力学？ 说说你的看法。 提示：不是。当物体的运动速度远小于光速时，相对论与牛顿力学的结论没有区别；当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。牛顿力学没有被否定，而是作为某些条件下的特殊情形，被包括在新的科学成就之中。 (多选)关于牛顿力学、相对论和量子力学，下列说法中正确的是(　　) A．相对论和牛顿力学是相互对立、互不相容的两种理论 B．在物体高速运动时，物体的运动规律适用相对论理论；在低速运动时，物体的运动适用牛顿运动定律 C．牛顿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，牛顿力学和量子力学都是适用的 答案：BC 解析：牛顿力学解决低速宏观问题，高速问题由相对论理论解决，微观问题由量子力学解决。相对论并没有否定牛顿力学，而是认为牛顿力学是相对论理论在一定条件下的特殊情况，故选项A、D错误，B、C正确。 学生用书↓第85页 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，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别。 (2)当另一个重要常量即“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。 针对练1.关于牛顿力学理论，下述说法中正确的是(　　) A．牛顿力学适用于宏观、低速、弱引力场 B．相对论和量子力学证明了牛顿力学是错误和过时的 C．牛顿力学认为时空是相对的 D．牛顿力学可以预言各种尺度下的运动 答案：A 解析：牛顿力学适用于宏观、低速、弱引力场，A正确；相对论和量子力学适用于微观高速粒子的运动，并没有否定牛顿力学，B错误；牛顿力学中，认为时间和空间都是绝对的，C错误；牛顿力学不适用于微观、高速情况下的运动，D错误。 针对练2.下列说法错误的是(　　) A．绝对时空观认为时间和空间是独立于物体及其运动而存在的 B．相对论时空观认为时间和空间与物体及其运动有关系 C．牛顿力学只适用于宏观、低速运动问题，不适用于微观、高速运动问题 D．当物体的运动速度远小于光速时，相对论和牛顿力学的结论仍有很大的区别 答案：D 解析：绝对时空观认为时间和空间是独立于物体及其运动而存在的，而相对论时空观认为时间和空间与物体及其运动有关系，故A、B正确；牛顿力学只适用于宏观、低速运动问题，不适用于微观、高速运动问题，故C正确；当物体的运动速度远小于光速时，相对论和牛顿力学的结论没有区别，故D错误。 1．(多选)以下说法正确的是(　　)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 A．经典物理学家认为如果两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中也是同时的 B．对于宏观物体的低速运动问题，量子力学与牛顿力学的结论是一致的 C．牛顿力学不仅适用于宏观物体的低速运动，也适用于微观粒子的高速运动 D．相对论与量子力学否定了牛顿力学理论 答案：AB 解析：经典物理学家认为，如果两个事件在一个参考系中认为是同时的，在另一个参考系中一定也是同时的，而根据爱因斯坦的两个假设，同时是相对的，故A正确；相对论和量子力学的出现，并没有否定牛顿力学，牛顿力学是相对论和量子力学在低速、宏观条件下的特殊情形，故B正确，D错误；牛顿力学只适用于宏观物体的低速运动，故C错误。 2．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 答案：B 解析：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。 3．某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行，如果希望把路程缩短为3光年，则他所乘飞船相对地球的速度为(　　) A．0.5c B．0.6c C．0.8c D．0.9c 答案：C 解析：由l＝l0可得3＝5，解得v＝0.8c，故C正确。 4．(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，A正确，B错误；列车内观察者看到列车是静止的，桥高速运动，则列车长度不变，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)，C错误，D正确。 课时测评18　相对论时空观与牛顿力学的局限性 (时间：30分钟　满分：60分) (本栏目内容，在学生用书中以独立形式分册装订！) (选择题1－11题，每题5分，共55分) 1．以下哪项属于爱因斯坦对相对论提出的基本假设(　　)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 A．一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度短 B．在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的 C．真空中的光速在不同的惯性参考系中是不相同的 D．相对论认为时间和空间与物体的运动状态有关 答案：B 解析：爱因斯坦对相对论提出的两条基本假设为：(1)在不同的惯性参考系中，一切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。其他内容均建立在这两点的基础之上，故B正确。 2．某考生现在正在完成100分钟的期末物理考试，假设一艘飞船相对该考生以0.3c的速度匀速飞过(c为真空中的光速)，则飞船上的观察者根据相对论认为该考生考完这场考试所用时间(　　) A．大于100分钟 B．等于100分钟 C．小于100分钟 D．不能确定 答案：A 解析：根据狭义相对论可知，飞船相对该考生以0.3c的速度匀速飞过时，飞船上的观察者认为该考生考完这场考试所用的时间t＝>t0，即飞船上的观察者认为该考生考完这场考试所用的时间大于100分钟，选项A正确。 3．(多选)对于公式m＝，下列说法中正确的是(　　) A．式中的m0是物体以速度v运动时的质量 B．当物体的运动速度v>0时，物体的质量m>m0，即物体质量改变了，故经典力学不再适用，是不正确的 C．当物体以较小的速度运动时，质量变化十分微小，经典力学理论仍然适用，只有当物体以接近光速运动时，质量变化才明显，故经典力学适用于低速运动，而不适用于高速运动 D．通常由于物体的运动速度太小，质量的变化引不起我们的感觉，在分析地球上物体的运动时，不必考虑质量的变化 答案：CD 解析：公式中m0是静止质量，m是物体以速度v运动时的质量，故A错误；由公式可知，只有当v接近光速时，物体的质量变化才明显，一般情况下物体的质量变化十分微小，经典力学仍然适用，故B错误，C、D正确。 4．如图所示，质量与身高均相同的甲、乙两人分别乘坐速度为0.6c和0.8c(c为光速)的飞船在太空中同向运动。则下列说法中正确的是(　　) A．乙观察到甲身高变高 B．甲观察到乙身高变低 C．若甲向乙挥手，则乙观察到甲动作变快 D．若甲向乙发出一束光进行联络，则乙观察到该光束的传播速度为c 答案：D 解析：因为人是垂直于速度方向站立的，身高方向上没有发生长度收缩效应，即甲、乙观察到对方的身高都不变，故A、B错误；根据相对论的时间延缓效应，可知乙观察到甲动作变慢，故C错误；根据爱因斯坦光速不变原理可知，乙观察到该光束的传播速度仍为c，故D正确。 5．一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 答案：B 解析：由l＝l0可知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。 6．(多选)甲乘客乘坐在接近光速运动的火车上，乙观察者站在铁轨附近的地面上，甲、乙两人手中各持一把沿火车前进方向放置的相同的米尺。则下列说法正确的是(　　) A．甲看到乙手中尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度要大 B．甲看到乙手中尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度要小 C．乙看到甲手中尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度要大 D．乙看到甲手中尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度要小 答案：BD 解析：在尺子长度方向上运动的尺子比静止时短，乙手中的尺子相对于甲接近光速运动，所以甲看到乙手中的尺子的长度比甲看到自己手中的尺子长度小，故A错误，B正确；同理可知，C错误，D正确。 7．关于牛顿力学，下列说法正确的是(　　) A．仅适用于微观粒子的运动 B．适用于宏观物体的低速运动 C．牛顿力学中，物体的质量与其运动速度有关 D．牛顿力学中，物体的长度与其运动速度有关 答案：B 解析：牛顿力学适用条件为宏观、低速的运动，对微观、高速运动不再适用，故A错误，B正确；相对论力学中，物体的质量、长度与其运动速度有关，牛顿力学中，物体的质量、长度与其运动速度无关，故C、D错误。 8．牛顿力学只适用于低速运动，不适用于高速运动，这里的“高速”是指(　　) A．声音在空气中的传播速度 B．第一宇宙速度 C．高铁列车允许行驶的最大速度 D．接近真空中光的传播速度 答案：D 解析：这里的“高速”是指接近真空中光的传播速度，故D正确，A、B、C错误。 9．下列关于牛顿力学的说法正确的是(　　) A．牛顿力学适用于宏观、低速(远小于光速)运动的物体 B．牛顿力学适用于微观、高速(接近光速)运动的粒子 C．相对论和量子力学的出现，表明牛顿力学已被完全否定了 D．牛顿力学在理论和实践上取得了巨大的成功，从地面到天体的运动都服从牛顿力学的规律，因此任何情况下都适用 答案：A 解析：牛顿力学只适用宏观、低速的物体，相对论和量子力学并没有否定牛顿力学，而是认为牛顿力学是相对论和量子力学在一定条件下的特殊情况。故A正确。 10．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＝可知，地面上的观察者认为c钟走得最慢，b钟比c钟快一些，a钟最快，因为它们相对观察者的速度大小关系为vc>vb>va，选项C正确。 11．如图所示，假设一根10 cm长的梭镖以接近光速的速度穿过一根10 cm长的静止的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的。以下叙述中最好地描述了梭镖穿过管子情况的是(　　) A．静止的观察者看到梭镖收缩变短，因此在某个位置，管子能完全遮住梭镖 B．静止的观察者看到梭镖变长，因此在某个位置，梭镖从管子的两端伸出来 C．静止的观察者看到两者的收缩量相等，因此在某个位置，管子仍恰好遮住梭镖 D．如果梭镖和管子都以光速c相向运动，则二者的相对速度是2c 答案：A 解析：根据相对论的长度收缩效应可知，梭镖相对于静止的观察者高速运动，那么梭镖长度收缩变短，而管子相对于观察者是静止的，那么管子长度不变，所以静止的观察者看到梭镖长度收缩变短，因此在某个位置，管子能完全遮住梭镖，故A正确，B、C错误；如果梭镖和管子都以光速c相向运动，根据光速不变原理，物体的速度不会超过光速，则二者的相对速度是c，故D错误。 12．(5分)有一段长100 km的直线铁路，假设铁路上空有一飞行器沿铁路方向以30 km/s的速度掠过。求： (1)飞行器上的人看到铁路的长度应该为多少？ (2)假设飞行器的速度达到0.6c，则飞行器的人看到的铁路的长度又是多少？ 答案：(1)100 km　(2)80 km 解析：(1)当飞行器速度为30 km/s时， ≈1，长度l≈l0＝100 km。 (2)当飞行器的速度达到0.6c时，根据相对论中的长度公式l＝l0 ，代入数据解得l＝100× km＝80 km。 学生用书↓第86页 学科网（北京）股份有限公司 $$