1、KKK 第五节第五节 相对论时空观与牛顿力学的局限性相对论时空观与牛顿力学的局限性 目标体系构建 明确目标 梳理脉络 【学习目标】 1知道什么是绝对时空观和相对论时空观。 2知道爱因斯坦的两个假设。 3知道时间延缓效应和长度收缩效应。 4了解牛顿力学的局限性和适用范围。 【思维脉络】 课前预习反馈 教材梳理 落实新知 知识点 1 相对论时空观 1绝对时空观：时间与空间都是独立于物体及其_运动_而存在的，也叫牛顿力学时空 观。 2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。 3时间延缓效应：t_ 1v
2、 c 2_。 4长度收缩效应： l_l01v c 2_。 5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。 知识点 2 牛顿力学的成就与局限性 1牛顿力学的成就：从地面上物体的运动到_天体_的运动，从拦河筑坝、修建桥梁到 设计各种机械，从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动，从投出篮球到发射导 弹、人造地球卫星、宇宙飞船所有这些都服从_牛顿力学_的规律。 2牛顿力学的局限性：牛顿力学对于_高速运动_的物体和电子、质子、中子等微观粒 子是不适用的。 3量子力学的建立能够很好地描述_微观_运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重 要作用。
3、4相对论与量子力学都没有_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。 预习自测 判一判 (1)在不同的惯性系中，光速是不同的。() (2)由于在任何惯性系中力学规律都是相同的，因此，研究力学问题时可以选择任何惯性 系。() (3)按照经典时空观，某一事件的发展过程，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔是 相同的。() (4)相对论和量子力学的出现，说明经典力学已失去意义。() (5)原子中电子的运动能用经典力学进行解释。() (6)空气中灰尘的运动能用经典力学进行解释。() 选一选 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
4、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 ( D ) A0.4c B0.5c C0.9c Dc 解析：由狭义相对论的基本假设：光速不变原理，真空中的光速在不同的惯性参考系中 都是相同的，可知 D 正确。 想一想 世界上各式各样的钟：砂钟、电钟、机械钟、光钟和生物钟。既然运动可以使某一种钟 变慢，它一定会使所有的钟都一样变慢。这种说法对吗？ 提示：对。 课内互动探究 细研深究 破疑解难 探究 相对论时空观 情境导入 如图，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照射一束 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
5、？ 提示：不同。 要点提炼 牛顿力学时空观与相对论时空观比较 比较项目 牛顿力学时空观 相对论时空观 同时 绝对性 相对性 长度 绝对性 相对性 光速 可变(遵循经典速度变换规律) 不变 物理规律 在不同惯性参考系中其形式相同 典例剖析 典题 1 如图，假设一根 10 m 长的 梭镖以光速穿过一根 10 m 长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的。以下叙述中 最好的描述了梭镖穿过管子的情况的是( D ) A梭镖收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它 B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 C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 D所有这些都与观
6、察者的运动情况有关 思路引导：“尺缩”效应公式 ll01v c 2中的 l 和 l 0是具有相对性的，到底是管子收 缩变短还是梭镖收缩变短，要看观察者所处的参考系。 解析：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，在某些位置梭镖会完全在管子内部，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，你可以看到梭镖两端都伸出管子。 对点训练 1如图所示，在一个高速转动的巨大转盘上，放着 A、B、C 三个时钟，下列说法正确的 是( C ) AA 时钟走得最慢，B 时钟走得最快 BA 时钟走得最慢，C 时钟走得最快 CC 时钟走得最慢，A 时钟走得最
7、快 DB 时钟走得最慢，A 时钟走得最快 解析：A、B、C 在同一转盘上，它们的角速度相同，由 vr 可知 r 越大，线速度 v 越 大。t 1 v c 2 可知，v 越大，t 越大，也就是说钟走得越慢。从图中可以看出，A 时钟 的线速度最小，C 时钟的线速度最大，故 A 时钟走得最快，C 时钟走得最慢。 探究 牛顿力学的成就与局限性 情境导入 能根据牛顿运动定律研究原子中电子的运动吗？ 提示：不能。 要点提炼 1牛顿力学的成就 牛顿力学的基础是牛顿运动定律，在低速、宏观、弱引力的广阔领域，牛顿力学取得了 巨大的成就。牛顿力学又称为经典力学。 研究方法 的代表 伽利略的“自然数学法”和牛顿的“
8、归纳演绎法”推动了物理、 数学和哲学的发展 主要成就 天体力学、材料力学和结构力学等得到了广泛的应用 18 世纪 60 年代，力学和热力学的发展及应用，引发了第一次工 业革命 动量守恒定律、机械能守恒定律等是航空航天技术的理论基础 2牛顿力学的局限性 20 世纪 20 年代，建立了量子力学，它能够很好地描述微观粒子运动的规律，并在现代科 学技术中发挥了重要作用；爱因斯坦的广义相对论表明，在强引力的作用下，牛顿的引力理 论将不再适用；相对论和量子力学都没有否定牛顿力学，而是认为牛顿力学是相对论在低速 情况下的近似。 典例剖析 典题 2 (多选)20 世纪以来，人们发现了一些新的事实，而牛顿力学却
9、无法解释。 牛顿力学只适用于解决物体的低速运动问题，不能用来处理高速运动问题；只适用于宏观物 体，一般不适用于微观粒子。这说明( BCD ) A随着认识的发展，牛顿力学已成了过时的理论 B人们对客观事物的具体认识在广度上是有局限性的 C不同领域的事物各有其本质与规律 D人们应当不断扩展认识，在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律 思路引导：相对论和量子力学的出现，说明人类对自然界的认识更加广阔和深入，但并 不表示牛顿力学失去了意义。历史上的科学成就不会被新的科学成就完全否定，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。 解析： 人们对客观世界的认识要受到所处的时代的客观条件和科
10、学水平的制约，所 以形成的看法也都具有一定的局限性，人们只有不断扩展自己的认识，才能掌握更广阔领域 内的不同事物的本质与规律；新的科学的诞生并不意味着对原来科学的全盘否定，只能认为 过去的科学是新的科学在一定条件下的特殊情形。 对点训练 2(2020 广东佛山一中高一下学期期中)牛顿力学不适用于下列哪些运动( B ) A火箭的发射 B速度接近光速的物体的运动 C“墨子号”在太空的运动 D宇宙飞船绕地球的运动 解析：牛顿力学适用于宏观、低速物体的运动，而不适用于微观、高速物体的运动，故 选 B。 核心素养提升 以题说法 启智培优 易错点：不深刻理解长度的相对性而致错 案例 假设地面上有一火车以接
11、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 ( D ) 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 易错分析：不理解尺缩效应只发生在相对运动的方向上，但在垂直运动方向上长度不变 而错选 A、B、C。 正确解答：取路旁的人为惯性系，车上的人相对于路旁的人高速运动，根据尺缩效应， 人在运动方向上将变窄，但在垂直运动方向上不发生变化，A、B、C 错误，D 正确。 素养警示 根据相对论时空观，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小，称 为长度收缩效应，长度收缩效应只发生在相对运动的方向上，但在垂直于运动方向上的长度 不变。
