7-5相对论时空观与牛顿力学局限性(人教版2019必修第二册)(原卷版).docx

第七章 万有引力与宇宙航行
第五节 相对论时空观与牛顿力学局限性
[核心素养·明目标]
核心素养
学习目标
物理观念
了解经典力学的发展历程和伟大成就，认识经典力学的局限性和适用范围。
科学思维
知道相对论、量子论有助于人类认识高速、微观领域。
科学探究
探究爱因斯坦狭义相对论的基本假设，知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。
科学态度与责任
感受牛顿力学在高速世界与事实的矛盾，知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。知道相对论、量子论有助于人类认识高速、微观领域。

知识点一　 经典力学的巨大成就
1.经典力学
经典力学通常叫牛顿力学，主要研究宏观物体机械运动的规律。
2.经典力学的巨大成就
(1)把天体的运动与地上物体的运动统一起来。
(2)经典力学和以经典力学为基础发展起来的天体力学、材料力学和结构力学等得到了广泛的应用。
(3)力学和热力学的发展及其与生产的结合引发了第一次工业革命。
(4)由牛顿力学定律导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等是航空航天技术的理论基础。
(5)相对论和量子力学的形成都受到经典力学的影响。
知识点二 经典力学方法论的意义
1.两种典型研究方法
(1)伽利略：“自然数学化”的方法，开创了将实验、逻辑(数学)相结合的方法。
(2)牛顿：归纳—演绎法，大量运用数学方法系统地整理物理学理论的方法.其演绎的结果必须通过实验验证。
2.意义
伽利略和牛顿的科学方法是经典力学方法的典型，影响深远，并不断得到发展和完善，逐渐成为一种传统，甚至作为社会科学和哲学的方法论，意义很大。
知识点三 经典力学的局限性和适用范围
1.经典力学的局限性和适用范围：对于宏观、低速(相对光速)物体的运动经典力学仍然适用。
2.经典力学的局限性
(1)经典力学的应用受到物体运动速率的限制，当物体运动速率接近于真空中的光速时，经典力学的许多观念将发生重大变化。
(2)经典力学不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象。
(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。
(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。
知识点四 经典时空观与相对论时空观
1.经典时空观
(1)经典时空观(绝对时空观)：时间永远均匀地流逝，与任何外界无关；空间与任何外界事物无关，从不运动，永远不变。
(2)惯性系与非惯性系：
①惯性系：凡是牛顿运动定律成立的参考系，相对于惯性系静止或做匀速直线运动的参考系都是惯性系。
②非惯性系：牛顿运动定律不成立的参考系，相对于惯性系做变速运动的参考系是非惯性系。
(3)伽利略相对性原理：对于所有的惯性系，力学规律都是相同的，或者说，一切惯性系都是等价的。
(4)经典时空观的几个具体结论：
①同时的绝对性；
②时间间隔的绝对性；
③空间距离的绝对性；
④物体质量恒定不变，即它们与参考系的选择(或观察者的运动状态)无关。
2.相对论时空观
(1)光速不变与经典物理学的矛盾：观察和实验事实表明：无论光源和观察者如何运动，光速只能是c，这与经典力学的速度合成法则相矛盾。
(2)狭义相对论的两条基本假设：
①相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。
②光速不变原理：在一切惯性系中，光在真空中传播的速度都等于c，跟光源的运动无关。
(3)相对论时空观
①同时的相对性：在一个参考系中同时发生的两个事件，在另一个参考系看来是不同时的。
②运动的时钟变慢：时钟相对于观察者静止时，走得快；相对于观察者运动时，走得慢，运动速度越快，效果越明显，Δt＝。
③运动的尺子缩短：一个物体相对于观察者静止时，它的长度测量值最大；相对于观察者运动时，观察者在运动方向上观测，它的长度要缩短，速度越快，缩得越短，l＝l0。
④物体质量随速度的增加而增大，m＝。
易错易混点1.经典力学与相对论的区别与联系
易混易错点辨析：
1.区别：
比较项
经典力学
相对论
形成时期
物理学形成的初期阶段，受历史发展限制，理论较肤浅、片面
形成于物理学充分发展的现代，理论较完善、科学
适用范围
低速运动，宏观世界，弱引力作用
任何情况都适用
速度对质量的影响
物体的质量不随其速度的变化而变化
物体的质量随其速度的增加而增大
速度的合成
时间与空间互不相干
速度与位移、时间的测量有关

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。
(2)相对论并没有否定经典力学，经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形。
例1.下列说法正确的是(　　)
A.在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，在狭义相对论中，物体的质量也不随运动状态而改变
B.狭义相对论和经典力学是完全不同、相互矛盾的两个理论
C.物体高速运动时，物体的运动服从狭义相对论，在低速运动时，物体的运动服从牛顿运动定律
D.以上说法都是错误的
解析：选C。在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，在狭义相对论中，物体的质量随物体运动速度的增大而增大，选项A错误；狭义相对论没有否定经典力学，经典力学是狭义相对论在一定条件下的特殊情形，选项B错误；经典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，选项C正确.
例2.(多选)牛顿运动定律能适用于下列哪些情形(　　)
A.研究原子中电子的运动 B.研究“神舟五号”飞船的高速发射
C.研究地球绕太阳的运动 D.研究飞机从北京飞往纽约的航线
解析：选BCD。牛顿运动定律只能用于“宏观低速”的情形，这里的“宏观”是相对于微观粒子而言的.这里的“低速”是相对于光速而言的。原子、电子等是微观粒子，它们的运动不服从牛顿运动定律，A错误；B、C、D选项中运动虽然是“高速”，但相对于光速来说，却是微不足道的，完全可以用牛顿运动定律研究其规律，B、C、D正确。
易错易混点2.对象对论的理解
易错易混点辨析：
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，其运动规律形式不变.
(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；比较如下：

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
几个结论
①同时的绝对性
②时间间隔的绝对性
③空间距离的绝对性
④物体的质量恒定不变
①同时的相对性
②运动的时钟变慢
③运动的尺子缩短
④物体的质量随速度的增加而增大

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，并且与物质的存在及运动有关。
(1)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3所示.当该尺子相对另一参考系x′O′y′(如地面)沿尺子长度方向以速度v运动时，在该参考系x′O′y′(如地面)中测得尺子长度为l′＝l。由于v<c，所以l′<l，说明在相对尺子运动的参考系中测得的“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”。当速度v≪c时，l′＝l，这就回到了经典物理学的结论——空间的尺度与物体的运动状态无关。

图3
(2)时间延缓效应：在相对于地面以速度v匀速运动的参考系内，测得该参考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。
当速度v≪c时，Δt＝Δt′，这就回到了经典物理学的结论——时间与物体的运动状态无关。
例3.半人马星座α星是距离太阳系最近的恒星，它距地球为4.3×1016 m.设有一宇宙飞船自地球往返于半人马星座α星之间.若宇宙飞船的速度为0.999c，按地球上的时钟计算，飞船往返一次需多长时间？如以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为多长？
解析：　以地球上的时钟计算：Δt＝＝ s≈2.87×108 s ≈ 9年
若以飞船上的时钟计算(原时)，因为Δt＝
所以得Δt′＝Δt＝2.87×108× s≈1.28×107 s ≈ 0.4年。
例4.如图4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(　　)

图4
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
解析：选C。根据相对论的时空观，运动的时钟变慢，其实质是指在相对论中每位观察者都有自身的时间测度，即如果一时钟在天空高速飞驰，对静止不动的观察者来说似乎时钟的时间走得慢了，时钟飞驰得越快，时钟的时间走得越慢。
针对训练
1.(经典力学的成就和局限性)(多选)20世纪以来，人们发现了一些新的事实，而经典力学却无法解释.经典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，以下说法正确的是(　　)
A.随着认识的发展，经典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.人们应当不断拓展认识，在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律
2.(经典时空观)(多选)下列说法中哪些属于经典时空观的观点(　　)
A.世界的过去、现在和将来都只有量的变化，而不会发生质的变化
B.时间和空间不依赖人们的意识而存在
C.时间和空间是绝对的
D.时间和空间是紧密联系、不可分割的
3.(相对论效应的理解)如图5所示，沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C.假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上的观察者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是(　　)

图5
A.同时被照亮 B.A先被照亮
C.C先被照亮 D.无法判断
4.(狭义相对论的应用)如图6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(　　)

图6
A.0.4c B.0.5c C.0.9c D.c
5.经典力学不能适用于下列哪些运动(　　)
A.火箭的发射
B.宇宙飞船绕地球的运动
C.“勇气号”宇宙探测器的运动
D.以99%倍光速运行的电子束
6.属于狭义相对论基本假设的是：在不同的惯性系中(　　)
A.真空中光速不变
B.时间间隔具有相对性
C.物体的质量不变
D.物体的能量与质量成正比
7.一列火车以接近光速的速度从我们身边飞驶而过，我们会感到车厢、车窗变窄了，而车厢、车窗的高度并没有变化，那么车厢内的人看路旁的电线杆间距将会(　　)
A.变窄 B.变宽 C.不变 D.都有可能
8.广东省虎门大桥全长近15 km，在500 m高空有一架与大桥平行以接近光速飞行的飞机，飞机上人员看到大桥的长度将是(　　)
A.大于15 km B.等于15 km
C.小于15 km D.无法确定
9.以下说法正确的是(　　)
A.经典力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用
B.经典力学理论的成立具有一定的局限性
C.在经典力学中，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经典力学理论
10.如图所示，假设一根10 cm长的梭镖以接近光速穿过一根10 cm长静止的管子，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
11．(多选)物理学的发展丰富了人类对动物世界的认识，推动了科学技术的创新和革命，促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步，下列表述正确的是(　　)
A.牛顿发现了万有引力定律
B.牛顿通过实验证实了万有引力定律
C.相对论的创立表明经典力学已不再适用
D.爱因斯坦建立了狭义相对论，把物理学推进到高速领域
12.某物体高速运动时的质量是其静止时质量的2倍，求该物体的高速运动速度是光速c的多少倍？