1、5.相对论时空观与牛顿力学的局 限性 必备知识必备知识自主学习自主学习 一、相对论时空观一、相对论时空观 【情境思考情境思考】 19711971年年, ,两位科学家利用数台铯原子钟两位科学家利用数台铯原子钟, ,其中四台放到飞机上其中四台放到飞机上, ,地面上留一台作地面上留一台作 为标准钟为标准钟, ,随后让飞机在赤道附近环球飞行随后让飞机在赤道附近环球飞行, ,一次向东一次向东, ,一次向西一次向西, ,问向东飞的问向东飞的 原子钟时间与向西飞的原子钟时间有什么差异原子钟时间与向西飞的原子钟时间有什么差异? ? 提示提示: :向东飞的原子钟时间比向西飞的原子钟时间慢。向东飞的原子钟时间比向
2、西飞的原子钟时间慢。 1.1.爱因斯坦的两个假设爱因斯坦的两个假设: : (1)(1)在不同的在不同的_参考系中参考系中, ,物理规律的形式都是相同的。物理规律的形式都是相同的。 (2)(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是_的。的。 2.2.时间间隔的相对性时间间隔的相对性: : (1)(1)时间延缓效应时间延缓效应: :在相对运动的参考系中观测事件变化过程的时间间隔变在相对运动的参考系中观测事件变化过程的时间间隔变 _了。了。 (2)(2)时间变换公式时间变换公式:_:_。 惯性惯性 相同相同 大大 2 t v 1 ( ) c 3.3.长度的
3、相对性长度的相对性: : (1)(1)长度收缩效应长度收缩效应: :一条沿自身长度方向运动的杆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其长度总比杆静止时的长度 _。 (2)(2)长度变换公式长度变换公式: :l= =_。 小小 2 0 v 1 ( ) c l 二、牛顿力学的成就与局限性二、牛顿力学的成就与局限性 【情境思考情境思考】 能根据牛顿运动定律研究原子中电子的运动吗能根据牛顿运动定律研究原子中电子的运动吗? ? 提示提示: :不能不能 1.1.牛顿力学的成就牛顿力学的成就: :从地面上物体的运动到天体的运动从地面上物体的运动到天体的运动, ,都服从都服从_的规的规 律。
4、律。 2.2.牛顿力学的局限性牛顿力学的局限性: : (1)(1)微观世界微观世界: :电子、质子、中子等微观粒子电子、质子、中子等微观粒子, ,发现它们不仅具有粒子性发现它们不仅具有粒子性, ,同时同时 还具有波动性还具有波动性, ,它们的运动规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明。它们的运动规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明。 (2)(2)牛顿力学只适用于牛顿力学只适用于_运动运动, ,不适用于不适用于_运动。运动。 牛顿力学牛顿力学 低速低速 高速高速 【易错辨析易错辨析】 (1)(1)一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同,
5、 ,这是经典物理学这是经典物理学 家的观点。家的观点。( )( ) (2)(2)一根杆的长度静止时为一根杆的长度静止时为l0 0, ,不管杆如何运动不管杆如何运动, ,杆的长度均小于杆的长度均小于l0 0。( ( ) ) (3)“(3)“动钟变慢”是时钟的精度因运动而发生了变化。动钟变慢”是时钟的精度因运动而发生了变化。( ( ) ) (4)(4)长度、时间的测量结果会随物体与观察者的相对运动状态的改变而改变。长度、时间的测量结果会随物体与观察者的相对运动状态的改变而改变。 ( )( ) (5)(5)高速运动的飞船中的航天员发现地面的时钟变慢了。高速运动的飞船中的航天员发现地面的时钟变慢了。
6、( ( ) ) (6)(6)地面上的人认为两个事件同时发生地面上的人认为两个事件同时发生, ,而高速运动的飞船中的宇航员却不这而高速运动的飞船中的宇航员却不这 么认为。么认为。( ( ) ) 关键能力关键能力合作学习合作学习 知识点一知识点一 时间延缓效应时间延缓效应 时间延缓效应时间延缓效应: :如果相当于地面以如果相当于地面以v v运动的惯性参考系上的人观察到与其一起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运动的物体完成某个动作的时间间隔为 , ,地面上的人观察到该物体在同一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地点完成这个动作的时间间隔
7、为 t,t,则则 t=t= 。 由于由于1 1- -( ( ) )2 21,t , ,此种情况称为时间延缓效应。此种情况称为时间延缓效应。 2 v 1( ) c v c 【典例示范典例示范】 【典例典例】如图所示如图所示, ,有三个完全相同的时钟有三个完全相同的时钟, ,时钟时钟A A放在地面上放在地面上, ,时钟时钟B B、C C分别放分别放 在两个火箭上在两个火箭上, ,两个火箭分别以速度两个火箭分别以速度v vB B和和v vC C朝同一方向飞行朝同一方向飞行,v,vB BvvC C, ,对于地面上的对于地面上的 观察者来说观察者来说, ,以下说法中正确的是以下说法中正确的是 ( ( )
8、 ) A.A.时钟时钟A A走得最慢走得最慢 B.B.时钟时钟B B走得最慢走得最慢 C.C.时钟时钟C C走得最慢走得最慢 D.D.时钟时钟C C走得最快走得最快 【素养训练素养训练】 1.1.某星际飞船正在遥远的外太空飞行某星际飞船正在遥远的外太空飞行, ,假如它的速度可以达到假如它的速度可以达到0.7c,0.7c,在地球上观在地球上观 测到其经过测到其经过8.768.7610104 4 h h的时间到达某星球的时间到达某星球, ,则在飞船上的人看来则在飞船上的人看来, ,其到达此星球其到达此星球 需要的时间是需要的时间是 ( ( ) ) A.8.76A.8.7610104 4 h h B
9、.6.26B.6.2610104 4 h h C.12.27C.12.2710104 4 h h D.16.52D.16.5210104 4 h h 【解析解析】选选B B。 = = t =8.76t =8.7610104 4 h6.26h6.2610104 4 h,h,故故B B正确。正确。 2 2 v 1 c 0.51 2.2.带电带电 介子静止时的平均寿命是介子静止时的平均寿命是2.62.61010- -8 8 s,s,某加速器射出的带电某加速器射出的带电 介子的介子的 速率是速率是2.42.410108 8 m/sm/s。求。求: :在实验室中测得这种粒子的平均寿命。在实验室中测得这种
10、粒子的平均寿命。 【解析解析】由由t= t= 得得, , 介子的平均寿命是介子的平均寿命是 t=t= 4.334.331010- -8 8 s s。 答案答案: :4.334.331010- -8 8 s s 0 2 2 t v 1 c 8 82 82 2.6 10 s (2.4 10 ) 1 (3.0 10 ) 知识点二知识点二 长度收缩效应长度收缩效应 长度收缩效应长度收缩效应: : 如果与杆相对静止的人测得杆长是如果与杆相对静止的人测得杆长是l0 0, ,沿着杆的方向沿着杆的方向, ,以以v v相对杆运动的人测得杆相对杆运动的人测得杆 长是长是l, ,则则l= =l0 0 。 由于由于1
11、 1- -( ( ) )2 21,1,所以总有所以总有l vvB B, ,对于在飞机上的人观察结果对于在飞机上的人观察结果, ,下列说法正确的是下列说法正确的是 ( ( ) ) A.AA.A飞机上的人观察到足球场的长度比飞机上的人观察到足球场的长度比B B飞机上的人观察到的大飞机上的人观察到的大 B.AB.A飞机上的人观察到足球场的长度比飞机上的人观察到足球场的长度比B B飞机上的人观察到的小飞机上的人观察到的小 C.C.两飞机上的人观察到足球场的长度相同两飞机上的人观察到足球场的长度相同 D.D.两飞机上的人观察到足球场的宽度相同两飞机上的人观察到足球场的宽度相同 【拓展例题拓展例题】考查内
12、容考查内容: :光速不变原理的理解光速不变原理的理解 【典例典例】科学家预言科学家预言, ,在遥远的将来在遥远的将来, ,离子推进发动机驱动的宇宙飞船很可能会离子推进发动机驱动的宇宙飞船很可能会 用于宇宙航行用于宇宙航行, ,这种飞船能以接近光速飞行。设想在以这种飞船能以接近光速飞行。设想在以0.9c0.9c飞行的飞船上打开飞行的飞船上打开 一个光源一个光源, ,则下列说法正确的是则下列说法正确的是 ( ( ) ) A.A.飞船正前方的观察者看到的光速为飞船正前方的观察者看到的光速为1.9c1.9c B.B.飞船正后方的观察者看到的光速为飞船正后方的观察者看到的光速为0.1c0.1c C.C.
13、在垂直飞船前进方向上的观察者看到的光速是在垂直飞船前进方向上的观察者看到的光速是 c c D.D.在任何地方的观察者看到的光速都是在任何地方的观察者看到的光速都是c c 1.81 【科技情境科技情境】 星际航行是行星际航行和恒星际航行的统称星际航行是行星际航行和恒星际航行的统称, ,行星际航行行星际航行 是指太阳系内的航行是指太阳系内的航行, ,恒星际航行是指太阳系外的恒星际恒星际航行是指太阳系外的恒星际 空间的飞行。不载人行星际航行已经实现空间的飞行。不载人行星际航行已经实现, ,而恒星际航行而恒星际航行 尚处于探索阶段。尚处于探索阶段。 情境模型素养 探究探究: : 半人马星座半人马星座
14、星是离太阳系最近的恒星星是离太阳系最近的恒星, ,它距地球为它距地球为4.34.3101016 16 m, m,设有一宇宙飞设有一宇宙飞 船自地球往返于半人马星座船自地球往返于半人马星座 星之间星之间, ,若宇宙飞船的速度为若宇宙飞船的速度为0.999c,0.999c,按地球上的按地球上的 时钟计算时钟计算, ,飞船往返一次需多长时间飞船往返一次需多长时间? ?如以飞船上的时钟计算如以飞船上的时钟计算, ,往返一次的时间往返一次的时间 又为多长又为多长? ? 【生活情境生活情境】 在高速行进的火车车厢正中的闪光灯发一次闪光向周围传播在高速行进的火车车厢正中的闪光灯发一次闪光向周围传播, ,闪光到达车厢后闪光到达车厢后 壁时壁时, ,一只小猫在车厢后端出生一只小猫在车厢后端出生, ,闪光到达车厢前壁时闪光到达车厢前壁时, ,一只小鸡在车厢前端出一只小鸡在车厢前端出 生。生。 探究探究: : (1)(1)在火车上的人看来在火车上的人看来, ,小鸡和小猫谁先出生小鸡和小猫谁先出生? ? (2)(2)在地面上的人看来在地面上的人看来, ,小鸡和小猫谁先出生小鸡和小猫谁先出生?
