1、第五章第五章 牛顿力学的局限性与相对论初牛顿力学的局限性与相对论初 步步 【知识体系】【知识体系】 牛顿力学的局限性牛顿力学的局限性 与相对论初步与相对论初步 经典力学经典力学 发展历程 发展历程 伟大成就伟大成就 局限性与适用范围局限性与适用范围 经典时空观经典时空观 的绝对性的绝对性 的绝对性的绝对性 的绝对性的绝对性 相对论时空观相对论时空观 两个基本假设 两个基本假设 原理原理 原理原理 狭义相对论几个重要的结论狭义相对论几个重要的结论 “ “同时同时”的的 性性 运动的时钟变运动的时钟变 运动的尺子运动的尺子 答案填写答案填写 同时同时 时间间隔时间间隔 空间距离空间距离 相对性相对
2、性 光速不变光速不变 相对相对 慢慢 缩短缩短 主题主题 1 经典时空观与相对论时空观经典时空观与相对论时空观 1.经典时空观：经典力学认为，时间和空间跟任何外经典时空观：经典力学认为，时间和空间跟任何外 界物质的存在及其运动情况无关，是绝对不变的，且彼界物质的存在及其运动情况无关，是绝对不变的，且彼 此独立此独立. 2.相对论时空观：相对论认为，时间和空间与在其中相对论时空观：相对论认为，时间和空间与在其中 运动的物质存在着密不可分的联系，且彼此紧密相连运动的物质存在着密不可分的联系，且彼此紧密相连.当当 物体运动的速度变大时，时钟变慢，尺子在运动方向变物体运动的速度变大时，时钟变慢，尺子在
3、运动方向变 短，物体的质量变大等短，物体的质量变大等. 3.两种时空观的关系： 当物体运动的速度远小于真空两种时空观的关系： 当物体运动的速度远小于真空 的光的光速时，时间和空间可看成不随运动状态变化，即用速时，时间和空间可看成不随运动状态变化，即用 经典时空观分析问题；当物体运动的速度接近真空的光经典时空观分析问题；当物体运动的速度接近真空的光 速时，时间和空间都随物质运动状态的变化而变化，即速时，时间和空间都随物质运动状态的变化而变化，即 只能用相对论时空观分析问题只能用相对论时空观分析问题. 【典例【典例 1】 一根一根 10 m 长的梭镖以相对速度穿过一长的梭镖以相对速度穿过一 根根
4、10 m 长的管子， 它们的长度都是在静止状态下测量的长的管子， 它们的长度都是在静止状态下测量的. 以下叙述最好地描述了梭镖穿过管子的情况的是（以下叙述最好地描述了梭镖穿过管子的情况的是（ ） A.梭镖收缩变短， 因此在某些位置上， 管子能完全遮梭镖收缩变短， 因此在某些位置上， 管子能完全遮 住它住它 B.管子收缩变短，因此在某些位置上，梭镖从管子的管子收缩变短，因此在某些位置上，梭镖从管子的 两端伸出来两端伸出来 C.两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管 子恰好遮住梭镖子恰好遮住梭镖 D.所有这些都与观察者的运动情况有关所有这些都与观察
5、者的运动情况有关 解析：解析： 如果你是在相对于管子静止的参考系中观察运如果你是在相对于管子静止的参考系中观察运 动着的梭镖， 那么梭镖看起来就比管子短， 在某些位置梭动着的梭镖， 那么梭镖看起来就比管子短， 在某些位置梭 镖会完全处在管子内部镖会完全处在管子内部.然而当你和梭镖一起运动时，你然而当你和梭镖一起运动时，你 看到的管子就缩短了， 所以在某些位置， 你可以看到梭镖看到的管子就缩短了， 所以在某些位置， 你可以看到梭镖 两端都伸出管子两端都伸出管子.假如你在梭镖和管子之间运动，运动的假如你在梭镖和管子之间运动，运动的 速度是在梭镖运动的方向上， 而大小是其一半， 那么梭镖速度是在梭镖
6、运动的方向上， 而大小是其一半， 那么梭镖 和管子都相对于你运动， 且速度的大小一样， 你看到这两和管子都相对于你运动， 且速度的大小一样， 你看到这两 样东西都缩短了，且缩短的量相同样东西都缩短了，且缩短的量相同.所以你看到的一切都所以你看到的一切都 是相对的是相对的依赖于你的参考系依赖于你的参考系. 答案：答案：D 1.若一列火车以接近光速的速度在高速行驶， 车上的若一列火车以接近光速的速度在高速行驶， 车上的 人用望远镜来观察地面上的一个排球，如果观察得很清人用望远镜来观察地面上的一个排球，如果观察得很清 晰，则观察结果是（晰，则观察结果是（ ） A.像一个乒乓球（体积变小）像一个乒乓球
7、（体积变小） B.像一个篮球（球体变大）像一个篮球（球体变大） C.像一个橄榄球（竖直放置）像一个橄榄球（竖直放置） D.像一个橄榄球（水平放置）像一个橄榄球（水平放置） 解析：解析： 根据长度收缩效应可知， 排球在水平方向的线根据长度收缩效应可知， 排球在水平方向的线 度变短， 在竖直方向线度不变， 因此观察的结果是像一个度变短， 在竖直方向线度不变， 因此观察的结果是像一个 竖直放置的橄榄球竖直放置的橄榄球. 答案：答案：C 主题主题 2 经典力学的局限性经典力学的局限性 1.从低速到高速： 经典力学只适用于低速运动的物体从低速到高速： 经典力学只适用于低速运动的物体 而且只适用于惯性参考
8、系（低速是相对于光速而言的，而且只适用于惯性参考系（低速是相对于光速而言的， vc）. 2.从宏观到微观：电子、质子、中子等微观粒子，它从宏观到微观：电子、质子、中子等微观粒子，它 们不仅具有宏观粒子的粒子性，同时还具有波动性们不仅具有宏观粒子的粒子性，同时还具有波动性.它们它们 的运动特点在很多情况下不能用经典力学分析的运动特点在很多情况下不能用经典力学分析.20世纪世纪20 年代， 量子力学建立了， 它能够很好地解释微观粒子运动年代， 量子力学建立了， 它能够很好地解释微观粒子运动 的规律，并在现代力学中发挥了重要作用的规律，并在现代力学中发挥了重要作用. 3.从弱引力到强引力：经典力学只
9、适用于质量大、半从弱引力到强引力：经典力学只适用于质量大、半 径大的天体间的弱引力，对于质量大、半径小的天体间径大的天体间的弱引力，对于质量大、半径小的天体间 的强引力不适用的强引力不适用. 【典例【典例 2】 2016 年年 2 月月 11 日，科学家宣布探测到引日，科学家宣布探测到引 力波的存在力波的存在.引力波是实验验证爱因斯坦相对论的最后一块引力波是实验验证爱因斯坦相对论的最后一块 缺失的缺失的“拼图拼图” ，相对论在一定范围内弥补了经典力学的局限，相对论在一定范围内弥补了经典力学的局限 性性.关于经典力学，下列说法正确的是（关于经典力学，下列说法正确的是（ ） A.经典力学适用于宏观
10、低速运动经典力学适用于宏观低速运动 B.经典力学取得了巨大成就，是普遍适用的经典力学取得了巨大成就，是普遍适用的 C.随着物理学的发展，经典力学将逐渐成为过时的理论随着物理学的发展，经典力学将逐渐成为过时的理论 D.随着相对论、量子论的提出，经典力学已经失去了它随着相对论、量子论的提出，经典力学已经失去了它 的应用价值的应用价值 解析：解析：A 对，经典力学适用于宏观低速运动的物体，对，经典力学适用于宏观低速运动的物体， 宏观物体是相对于微观粒子而言的宏观物体是相对于微观粒子而言的.B 错，经典力学取得了错，经典力学取得了 巨大的成就，但它也具有一定的局限性，并不是普遍适用巨大的成就，但它也具
11、有一定的局限性，并不是普遍适用 的的.C、D 错，在微观高速情况下，要用量子力学和相对论错，在微观高速情况下，要用量子力学和相对论 来解释，但是并不会因为相对论和量子力学的出现，就否来解释，但是并不会因为相对论和量子力学的出现，就否 定了经典力学，经典力学不会过时也不会失去应用价值定了经典力学，经典力学不会过时也不会失去应用价值. 答案：答案：A 2. （多选）（多选） 牛顿运动定律能适用于下列哪些情况 （牛顿运动定律能适用于下列哪些情况 （ ） A.研究原子中电子的运动研究原子中电子的运动 B.研究研究“神舟五号神舟五号”的高速发射的高速发射 C.研究地球绕太阳的运动研究地球绕太阳的运动 D.研究飞机从深圳飞往北京的航线研究飞机从深圳飞往北京的航线 解析：解析：牛顿力学适用于宏观、低速运动的物体，要注意牛顿力学适用于宏观、低速运动的物体，要注意 低速和高速的标准是相对于光速而言的， 则可判定牛顿运动低速和高速的标准是相对于光速而言的， 则可判定牛顿运动 定律适用于定律适用于 B、 C、 D 中描述的运动中描述的运动.研究原子中电子的运动，研究原子中电子的运动， 进入了微观世界，牛顿运动定律不再适用，所以进入了微观世界，牛顿运动定律不再适用，所以 A 不适用不适用. 答案：答案：BCD
