物理必修 第二册5 相对论时空观与牛顿力学的局限性学案

这是一份物理必修 第二册5 相对论时空观与牛顿力学的局限性学案，共8页。学案主要包含了学习目标，思维脉络等内容，欢迎下载使用。

目标体系构建
明确目标·梳理脉络
【学习目标】
1．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。
2．知道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。
3．了解宇宙起源的大爆炸理论。
【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：Δt＝__eq \f(Δτ,\r(1－\f(v,c)2))__。
4．长度收缩效应：l＝__l0eq \r(1－\f(v,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。
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。
思考辨析
『判一判』
(1)运动的时钟显示的时间变慢，高速飞行的μ子的寿命变长。(√)
(2)沿着杆的方向，相对于观察者运动的杆的长度变短。(√)
(3)在经典力学中，位移的测量与参考系的运动情况无关。(√)
(4)经典力学只适用于世界上普通的物体，研究天体的运动，经典力学就无能为力了。(×)
(5)洲际导弹的速度可达到6 000 m/s，在这种高速运动状态下，经典力学不适用。(×)
(6)对于宏观物体的低速运动问题，相对论、量子力学与经典力学是一致的。(√)
『选一选』
(2021·浙江省德清县第三中学高一月考)引力波是实验验证爱因斯坦相对论的最后一块缺失的“拼图”。相对论在一定范围内弥补了牛顿力学的局限性。关于牛顿力学，下列说法正确的是 ( A )
A．牛顿力学完全适用于宏观低速运动
B．牛顿力学取得了巨大成就，是普遍适用的
C．随着物理学的发展，牛顿力学将逐渐成为过时的理论
D．由于相对论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值
解析：牛顿力学适用于低速运动的宏观物体，故A正确；牛顿力学取得了巨大的成就，但它具有一定的局限性，并不是普遍适用的，故B错误；在微观高速领域，要用量子力学和相对论理论来解释，但是并不会因为相对论和量子力学的出现，就否定了牛顿力学，牛顿力学作为某些条件下的特殊情形，被包括在新的科学成就之中，不会过时，不会失去价值，故C、D错误。
『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__■
如图所示，静止在地球上的人测得地月之间的距离为l0，坐在从地球高速飞往月球的飞船里的宇航员测得地月之间的距离仍为l0吗？
提示：不是，宇航员测得的地月之间的距离小于l0
┃┃要点提炼__■
牛顿力学时空观与相对论时空观比较
┃┃典例剖析__■
典题1 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 )
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
思路引导：“尺缩”效应公式l＝l0eq \r(1－\f(v,c)2)中的l和l0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：根据狭义相对论的尺缩效应，如果梭镖相对于观察者运动，那么梭镖收缩变短，而管子长度不变，因此在某个位置，管子能完全遮住梭镖，选项A正确，B、C错误；由光速不变原理，可知物体的速度不会超过光速，故D错误。
┃┃对点训练__■
1．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 )
A．0.4c B．0.5c
C．0.9c D．1.0c
解析：根据光速不变原理，在一切惯性参考系中测量到真空中的光速c都一样，而壮壮所处参考系即为惯性参考系，因此壮壮观察到的光速为1.0c，选项D正确。
探究
牛顿力学的成就与局限性
┃┃情境导入__■
粒子对撞机可以把质子加速到接近于光速，如图所示。经典力学是否适用于质子的运动规律？如何研究质子的运动规律？
提示：不适用。经典力学只适用于宏观低速运动，描述微观高速粒子的运动要用到量子力学。
┃┃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。
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．(2021·江苏淮安市高一月考)关于牛顿力学、相对论和量子力学，下列说法中正确的是( B )
A．相对论和牛顿力学是相互对立、互不相容的两种理论
B．在物体高速运动时，物体的运动规律适用于相对论，在低速运动时，物体的运动规律适用于牛顿运动定律
C．牛顿力学适用于宏观物体的运动，也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
解析：经典力学是狭义相对论在低速(v≪c)条件下的近似，即只要速度远远小于光速，经过数学变换狭义相对论的公式就全部变化为牛顿经典力学的公式，故A错误；在物体高速运动时，物体的运动规律服从狭义相对论理论，在低速运动时，物体的运动服从牛顿定律，故B正确；牛顿经典力学只适用于宏观低速物体，而微观、高速适用于狭义相对论，故CD错误。
易错辨析警示
以题说法·释疑解惑
易错点：不能灵活运用相对论时空观分析问题
案例 与相对论有关的问题，下列说法正确的是( C )
A．火箭内有一时钟，当火箭高速运动后，此火箭内观察者发现时钟变慢了
B．一根杆的长度静止时为l0，不管杆如何运动，杆的长度均小于l0
C．如果两根平行的杆在沿自己的长度方向上做相对运动，则与它们一起运动的两位观察者都会认为对方的杆缩短了
D．相对论只适用于高速运动(速度接近真空中的光速的运动)，不适用于低速运动
易错分析：不理解牛顿力学与相对论之间的区别与联系而错选D，对相对论的内容理解不透彻而错选A、B。
正解：C
正确解答：当火箭高速运动后，火箭内观察者相对于时钟的速度为0，所以发现时钟走时速度不变，A错误；一根杆的长度静止时为l0，当杆运动方向与杆垂直时，杆的长度不发生变化，B错误；根据相对论时空观，两根平行的杆在沿自己的长度方向上做相对运动，与它们一起运动的两位观察者都认为对方的杆缩短了，C正确；相对论和牛顿力学在低速运动中的结论没有区别，D错误。
课堂达标检测
沙场点兵·名校真题
1．(2021·江苏南通市高一开学考试)下列运动中不能用经典力学规律描述的是( B )
A．子弹的飞行
B．粒子接近光速的运动
C．人造卫星绕地球运动
D．和谐号从南通向上海飞驰
解析：经典力学的适用范围是宏观、低速情形，子弹的飞行、人造卫星绕地球的运行、列车的运动，经典力学能适用；对于微观高速的情形经典力学不适用，故选B。
2．(2021·河南洛阳市高一月考)以下哪项属于爱因斯坦对相对论提出的基本假设( B )
A．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
B．在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的
C．真空中的光速在不同的惯性参考系都是不相同的
D．相对论认为时间和空间与物体的运动状态有关
解析：爱因斯坦对相对论提出的两条基本假设为：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的，其他内容均建立在这两条基本假设基础之上。故选B。
3．(2021·江苏苏州中学高一月考)如图所示，李明和张华在小区电梯内看到一则小广告：“铁笼飞车燃情登场，挣脱地心引力，给你一场极限视觉享受”。关于广告内容，二人发生了争执，以下是二人的说法，你认为正确的是( B )
eq \x(\a\al( 潮动飞车秀,铁笼飞车燃情登场，,挣脱地心引力，,给你一场极限视觉享受 ))
A．飞车不可能挣脱地心引力，除非飞车速度达到7.9 km/s
B．飞车不可能挣脱地心引力，除非飞车速度能够超过11.2 km/s
C．若飞车速度足够大，最终可以成为一颗绕地球运动且速度大于7.9 km/s的卫星
D．由牛顿运动定律可知，只要飞车一直加速，速度最终就可以超过光速
解析：要想脱离地球的引力而飞出地球，其速度必须要大于第二宇宙速度11.2 km/h，则选项A错误，B正确；第一宇宙速度7.9 km/h是绕地球做圆周运动的卫星的最大环绕速度，则即使飞车速度足够大，最终也不可能成为一颗绕地球运动且速度大于7.9 km/s的卫星，选项C错误；光速是自然界速度的极限，在任何参考系中，物体的运动速度都不能超过光速，故D错误。
4．(2021·江苏苏州中学高一月考)继哥白尼提出“太阳中心说”、开普勒提出行星运动三定律后，牛顿站在巨人的肩膀上，创立了经典力学，揭示了包括行星在内的宏观物体的运动规律；爱因斯坦既批判了牛顿力学的不足，又进一步发展了牛顿的经典力学，创立了相对论，这说明( C )
A．世界无限扩大，人不可能认识世界，只能认识世界的一部分
B．人的认识具有能动性，都能够正确地反映客观世界
C．人对世界的每一个正确认识都有局限性，需要发展和深化
D．每一个认识都可能被后人推翻，人不可能获得正确的认识
解析：发现总是来自于认识的过程，爱因斯坦的相对理论并没有否定经典力学，而是对牛顿力学理论的发展和深化，但也有人正在向爱因斯坦理论挑战。故选C。
5．(多选)(2021·麻城市实验高级中学高一月考)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( AD )
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
解析：牛顿发现了万有引力定律，故A正确；牛顿通过月地检验证实了万有引力定律，故B错误；相对论并没有否定经典力学，而是在其基础上发展起来的，有各自成立范围，故C错误；爱因斯坦建立了狭义相对论，把物理学推进到高速领域，故D正确。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
研究方法
的代表
伽利略的“自然数学法”和牛顿的“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