第7章 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性(课件PPT)-【勤径学升】2024-2025学年高中物理必修第二册同步练测（人教版2019）

第七章　 万有引力与 宇宙航行 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 学习目标 核心素养 1.了解经典力学的发展历程和伟大成就。 2.认识经典力学的局限性和适用范围。 3.初步了解微观和高速世界中奇妙现象。 4.知道相对论和经典力学的关系 1.物理观念：爱因斯坦的相对论。 2.科学思维：质疑与实验论证 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 [对应学生用书第66页] 一、相对论时空观 1.光速不变 　　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　⁠！ 都是一样的 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 2.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　⁠。 相同的 相同的 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 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1－＜1，所以总有Δt＞Δτ，此种情况称为 　时间延缓效应　⁠。 时间延缓效应 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 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1－＜1，所以总有l＜l0，此种情况称为长度收缩效应。 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 二、牛顿力学的成就与局限性 1.牛顿力学的基础是 　牛顿运动定律　⁠，牛顿运动定律和万有引力定律在 　宏观、低速、弱引力　⁠的广阔领域，包括 　天体力学　⁠的研究中，经受了实践的检验，取得了巨大的成就。 2.牛顿力学的适用范围，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.相对论和量子力学都没有否定过去的科学，而只认为过去的科学是自己在一定条件下的 　特殊情形　⁠。 牛顿运动定律 宏观、低 速、弱引力 天体力学 低速 高速 宏观 微观 特殊情形 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 判断下列说法的正误（正确的画“√”，错误的画“×”）。 （1）相对论和量子力学的出现，说明经典力学已失去意义。 （　×　） （2）原子中电子的运动能用经典力学进行解释。 （　×　） （3）牛顿运动定律适用于低速、宏观的研究领域。 （　√　） （4）相对论与量子力学的出现否定了经典力学。 （　×　） × × √ × 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 [对应学生用书第66页] 要点一　对相对论时空观的理解 　　在牛顿力学和相对论中，长度和时间的测量结果在不同参考系中有何区别？ 提示　在经典力学中，同一过程的位移和时间的测量结果在不同参考系中是相同的；而在狭义相对论中，同一过程的位移和时间的测量结果在不同参考系中是不同的。 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 1.两个基本原理 （1）相对性原理：所有物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式，表明在任何惯性系中研究某个物体的某一运动过程，其运动规律的形式不变。 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 （2）光速不变原理：在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c都一样，表明了经典时空观与相对论时空观的不同。 　 经典时空观 相对论时空观 运动情况 同一运动对不同参考系描述结果不同，即速度不同 光在一切惯性参考系中传向各个方向的速度不变 时间与空间的关系 时间均匀流逝，空间不变化，与运动情况及外部条件无关 时间、空间都随运动情况而改变 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 2.相对论时空观的内容 　　认为时间和空间是相互联系、相互影响的，并且与物体的存在及运动有关。 （1）时间延缓效应：在相对于地面以速度v匀速运动的惯性系内，测得该惯性系中某一事件所经历的时间为Δt'，则在地面上测得该事件所经历的时间为Δt＝，由于v＜c，所以Δt＞Δt'。即用同样标准的钟，在静止参考系中测得的时间比在运动参考系中测得的时间长，好比是运动的钟走“慢”了。 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 （2）长度收缩效应：一把尺子，在相对于它静止的参考系xOy中测得其长度为l（称为静止长度），如图所示。当该尺子相对另一惯性系x'O'y'（如地面）沿尺子长度方向以速度v运动时，在该惯性系x'O'y'（如地面）中测得尺子的长度为l'＝l。由于v＜c，所以l'＜l，说明在相对尺子运动的惯性系中测得的“运动长度”比在相对尺子静止的参考系中测得的“静止长度”短，即所谓的“长度收缩效应”。 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 [例1]　一对孪生兄弟，出生后甲乘高速飞船以0.8c的速度去旅行，测量出自己飞行30年回到地面上，乙在地面上生活，问甲回来时30岁，乙多少岁？ [解析]　由时间延缓效应公式得，Δt＝＝＝50， 即乙已经50岁。 [答案]　50岁 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 1.在宇宙射线中，一束μ介子以v＝0.998c的速度朝地球方向飞行，该μ介子产生时位于8 000 m厚的大气层外，那么在与μ介子相对静止的参考系中观测到的大气层的厚度是多少？ 解析　由于大气层相对于惯性系以速度v＝0.998c向上运动着，则在该惯性系中测得的大气层的厚度可由长度收缩效应公式求得 l＝l0＝8 000 m≈506 m。 答案　506 m 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 要点二　牛顿力学的局限性 （1）牛顿力学在高速世界还适用吗？ （2）相对论、量子力学否定了牛顿力学吗？ 提示　（1）不适用。 （2）相对论、量子力学没有否定牛顿力学，牛顿力学是相对论、量子力学在一定条件下的特例。 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 1.牛顿力学的适用范围 　　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。 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 2.牛顿力学与相对论、量子理论的比较 （1）区别 狭义相对论 牛顿力学适用于低速运动的物体；狭义相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律 量子力学 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 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 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。 （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。 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 [例2]　下列说法正确的是 （　　） A.牛顿运动定律就是牛顿力学 B.牛顿力学的基础是牛顿运动定律 C.牛顿运动定律可以解决自然界中所有的问题 D.牛顿力学可以解决自然界中所有的问题 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 [解析]　牛顿力学并不等于牛顿运动定律，牛顿运动定律只是牛顿力学的基础；牛顿力学并非万能，也有其适用范围，并不能解决自然界中所有的问题。没有哪个理论可以解决自然界中所有的问题。因此只有B项正确。 [答案]　B 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 2.（多选）以下说法正确的是 （　　） A.牛顿力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用 B.牛顿力学理论具有一定的局限性 C.在牛顿力学中，物体的质量不随运动状态改变而改变 D.相对论和量子力学否定了牛顿力学理论 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 解析　牛顿力学理论具有一定的局限性，它只适用于低速、宏观物体的运动，选项A错误，B正确；在牛顿力学中，物体的质量不随运动状态的改变而改变，即物体的质量和物体运动的速度无关，选项C正确；相对论和量子力学并没有否定过去的科学，而是认为牛顿力学理论是在一定条件下的特殊情形，选项D错误。 答案　BC 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 [对应学生用书第68页] 1.（牛顿力学的局限性）下列说法正确的是（　　） A.牛顿力学能够说明微观粒子的规律性 B.牛顿力学适用于宏观物体的低速运动问题，不适用于高速运动的物体 C.相对论与量子力学的出现，说明牛顿力学已失去意义 D.对于宏观物体的高速运动问题，牛顿力学仍适用 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 解析　牛顿力学适用于宏观、低速物体，新的学说的出现，是一种完善和拓展，牛顿力学并没有失去其存在的意义。 答案　B 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 2.（牛顿力学与狭义相对论、量子力学的关系）（多选）关于牛顿力学、狭义相对论和量子力学，下列说法中正确的是 （　　） A.狭义相对论和牛顿力学是相互对立的、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.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 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 解析　牛顿力学只适用于宏观物体的低速运动，相对论和量子力学并没有全盘否定牛顿力学理论。在弱引力作用下，低速运动的宏观世界中，两种理论是一致的。故B、C正确，A、D错误。 答案　BC 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 3.（时间延缓效应）一艘飞船以9×104 m/s的速率相对于地面（假定为惯性系）匀速飞行，飞船上的钟走了10 s的时间，用地面上的钟测量经过了多少时间？ 解析　据公式Δt＝，可求得用地面上的钟测量经过的时间为10.000 000 45 s。 答案　10.000 000 45 s 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 解析　以观察者为一个参考系测得米尺的长度为l，米尺为另一个参考系，测得米尺的长度为l'，应用公式l＝l'，进行变形可解v， 根据公式l＝l'， 4.（长度收缩效应）一位观察者测得运动着的米尺为0.5 m长，求此米尺以多大的速度移动。 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 可得v＝， c＝3.0×108 m/s　l'＝1 m　l＝0.5 m， 所以v＝0.866c＝2.60×108 m/s。 答案　2.60×108 m/s 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 $$