高中物理新教材同步必修第二册 第7章 5　相对论时空观与牛顿力学的局限性

5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 [学习目标] 1.了解相对论时空观，知道时间延缓效应和长度收缩效应.2.认识牛顿力学的成就，适用范围 及局限性.3.了解科学理论的相对性，体会科学理论是不断发展和完善的. 一、相对论时空观 1.19 世纪，英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了电磁波的存在，并证明电磁波的传 播速度等于光速c. 2.1887 年迈克耳孙—莫雷实验以及其他一些实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度 都是一样的！这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符(填“相符”或“不符”). 3.爱因斯坦假设：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. 4.时间延缓效应 (1)如果相对于地面以v 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Δτ，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Δt，那 么两者之间的关系是Δt＝. (2)Δt 与Δτ 的关系总有Δ t ＞ Δ τ ，即物理过程的快慢(时间进程)与运动状态有关.(填“有关” 或“无关”) 5.长度收缩效应： (1)如果与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以v 相对杆运动的人测得杆长是 l，那么两者之间的关系是l＝l0. (2)l 与l0的关系总有l ＜ l 0，即运动物体的长度(空间距离)跟物体的运动状态有关.(填“无关” 或“有关”) 二、牛顿力学的成就与局限性 1.牛顿力学的成就：牛顿力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律的建立与应用更是确立 了人们对牛顿力学的尊敬. 2.牛顿力学局限性：牛顿力学的适用范围是低速(填“高速”或“低速”)运动的宏观(填“宏 观”或“微观”)物体. (1)当物体以接近光速运动时，有些与牛顿力学的结论不相同. (2)电子、质子、中子等微观粒子的运动不能用牛顿力学来说明. 3.牛顿力学不会被新的科学成就所否定，当物体运动的速度远小于光速 c 时，相对论物理学 与牛顿力学的结论没有区别. 1.判断下列说法的正误. (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)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.( × ) (4)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.( × ) (5)当物体的速度接近光速时，经典力学就不适用了.( √ ) (6)对于质子、电子的运动情况，经典力学同样适用.( × ) 2.以约8 km/s 的速度运行的飞船上，一只完好的手表走过1 h，地面上的时钟显示的时间___ _____(填“大于”“等于”或“小于”)1 h. 答案 大于 一、相对论时空观 导学探究 地球绕太阳公转的速度是3×104 m/s，设在美国伊利诺斯州费米实验室的圆形粒子加速器可 以把电子加速到0.999 999 999 987 倍光速的速度，请思考： (1)地球的公转速度在狭义相对论中属于低速还是高速？被加速器加速后的电子的速度属于 低速还是高速？ (2)在地面上校准的两只钟，一只留在地面上，一只随宇宙飞船遨游太空，隔一段时间飞船 返回地面时，两只钟显示的时间相同吗？有什么差别？ 答案 (1)地球公转速度属于低速，被加速器加速后的电子的速度属于高速. (2)不相同，随飞船旅行的时钟变慢(显示的时间少). 知识深化 1.低速与高速 (1)低速：通常所见物体的运动，如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等 物体皆为低速运动物体. (2)高速：有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近，这样的速度称为高速. 2.相对论的两个效应 (1)时间延缓效应：运动时钟会变慢，即Δt＝. (2)长度收缩效应：运动长度会收缩，即l＝l0. 3.对于低速运动的物体，相对论效应可以忽略不计，一般用经典力学规律来处理；对于高速 运动问题，经典力学不再适用，需要用相对论知识来处理. 在静止坐标系中的正立方体边长为l0，另一坐标系以相对速度v 平行于正立方体的 一边运动.问在后一坐标系中的观察者测得的立方体的体积是多少？ 答案 l0 3 解析 本题中正立方体相对于另一坐标系以速度v 运动，一条边与运动方向平行，则坐标系 中观察者测得该条边的长度为l＝l0 测得立方体的体积为V＝l0 2l＝l0 3. 物体静止长度l0和运动长度l 之间的关系为l＝l0 相对于地面以速度v 运动的物体，从地面上看： (1)沿着运动方向上的长度变短了，速度越大，变短得越多. (2)在垂直于运动方向不发生长度收缩效应现象. A、B 两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，vA＞vB，在地面上的人观察到的结 果正确的是( ) A.火箭A 上的时钟走得最快 B.地面上的时钟走得最快 C.火箭B 上的时钟走得最快 D.火箭B 上的时钟走得最慢 答案 B 解析 在地面上的人看来，A、B 两火箭都远离自己，由Δt＝知，地面上的人观察到的结果 为：A、B 两火箭上的时钟都变慢了.又vA＞vB，则A 火箭上的时钟走得最慢，地面上的时钟 走得最快，因此B 正确，A、C、D 错误. 二、牛顿力学的成就与局限性 导学探究 如图1 所示，质子束被加速到接近光速，经典力学适用于质子束的运动规律吗？ 图1 答案 不适用. 知识深化 1.经典力学的成就 (1)经典力学体系是时代的产物，是现代机械、土木建筑、交通运输以至航空航天技术的理 论基础. (2)经典力学的思想方法对艺术、政治、哲学等社会科学领域也有巨大影响. 2.经典力学的局限性及适用范围 (1)经典力学适用于低速运动的物体，相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律. (2)经典力学适用于宏观世界；量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律. 3.相对论和量子力学没有否定经典力学 (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)当另一个重要常量即“普朗克常量”可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区 别. (3)相对论和量子力学并没有否定经典力学，经典力学是二者在一定条件下的特殊情形. (2019·北师大附中高二上期中)下列关于经典力学的说法正确的是( ) A.经典力学适用于宏观、低速(远小于光速)运动的物体 B.经典力学适用于微观、高速(接近光速)运动的粒子 C.相对论和量子力学的出现，表明经典力学已被完全否定了 D.经典力学在理论和实践上取得了巨大的成功，从地面到天体的运动都服从经典力学的规律， 因此任何情况下都适用 答案 A 解析 经典力学是狭义相对论在低速(v≪c)条件下的近似，即只要速度远小于光速，经过数 学变换狭义相对论的公式就全部变化为经典力学的公式，故A 正确，B、D 错误；相对论与 量子力学并没有否定经典力学，而是在其基础上发展起来的，故C 错误. 下列运动中不能用经典力学规律描述的是( ) A.子弹的飞行 B.和谐号从深圳向广州飞驰 C.人造卫星绕地球运动 D.粒子接近光速的运动 答案 D 解析 子弹的飞行、火车的运动及人造卫星绕地球的运动，都属于宏观、低速，经典力学能 适用.而粒子接近光速的运动，不能适用于经典力学，故选D. 1.(长度收缩效应)假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，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( ) 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 答案 D 解析 取路旁的人为惯性系，车上的人相对于路旁的人高速运动，根据长度收缩效应，人在 运动方向上将变窄，但在垂直于运动方向上没有发生变化，故选D. 2.(时间延缓效应)话说有兄弟两个，哥哥乘坐宇宙飞船以接近光的速度离开地球去遨游太空， 经过一段时间返回地球，哥哥惊奇地发现弟弟比自己要苍老许多，则该现象的科学解释是( ) A.哥哥在太空中发生了基因突变，停止生长了 B.弟弟思念哥哥而加速生长了 C.由相对论可知，物体速度越大，在其上时间进程就越慢，生理过程也越慢 D.这是神话，科学无法解释 答案 C 解析 根据相对论的时间延缓效应，当飞船速度接近光速时，时间会变慢，时间延缓效应对 生命过程、化学反应等也是成立的.飞船运行的速度越大，时间延缓效应越明显，人体新陈 代谢越缓慢. 3.(相对论效应)来自太阳和宇宙深处的高能粒子流，与高层大气作用产生一种叫作μ 子的次 级宇宙射线，μ 子低速运动时的寿命只有3.0 μs，按常理，μ 子不可能穿过高度大于100 km 的大气层到达地面，但实际上在地面上可以观测到许多μ 子.则根据相对论可以确定：在地 球上测量向地球高速飞行的该粒子的平均寿命________(选填“大于”“等于”或“小 于”)3.0 μs.如果观察者和μ 子一起以接近光速的速度飞向地面，观察者认为大气层厚度____ __(选填“大于”“等于”或“小于”) 100 km；如果观察者和μ 子一起以0.99c 的速度飞向 地面，观察者观察同方向向地球照射的太阳光的光速________c.(选填“大于”“等于”或 “小于”) 答案 大于 小于 等于 解析 μ 子低速运动时的寿命只有3.0 μs，根据时间延缓效应知在地球上测量向地球高速飞 行的该粒子的平均寿命大于3.0 μs；根据长度收缩效应得，如果观察者和μ 子一起以接近光 速的速度飞向地面，观察者认为大气层厚度小于100 km； 根据光速不变原理得，如果观察者和μ 子一起以0.99c 的速度飞向地面，观察者观察同方向 向地球照射的太阳光的光速等于c. 4.(经典力学的成就与局限性)(多选)下列说法中正确的是( ) A.经典力学是以牛顿的三大定律为基础的 B.经典力学在任何情况下都适用 C.当物体的速度接近光速时，经典力学就不适用了 D.相对论和量子力学的出现，使经典力学失去了意义 答案 AC 解析 牛顿运动定律是经典力学的基础，A 正确；经典力学只适用于低速、宏观、弱引力场 的范围，B 错误，C 正确；相对论和量子力学的出现，并没有否定经典力学，只是说经典力 学有一定的适用范围，D 错误. 5.(经典力学的适用范围)(2018·庆阳中学期末)关于经典力学、相对论和量子力学，下列说法 中正确的是( ) A.相对论和经典力学是相互对立、互不相容的两种理论 B.经典力学包含于相对论之中，经典力学是相对论的特例 C.经典力学只适用于宏观物体的运动，量子力学只适用于微观粒子的运动 D.不论是宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的 答案 B 解析 相对论没有否定经典力学，经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形，选项A 错 误，B 正确；经典力学适用于宏观、低速、弱引力的领域，选项C、D 错误. 6.(经典力学的适用范围)(多选)下列服从经典力学规律的是( ) A.自行车、汽车、火车、飞机等交通工具的运动 B.发射导弹、人造卫星、宇宙飞船 C.以接近光速飞行的μ 子的运动 D.地壳的变动 答案 ABD 解析 经典力学适用于宏观、低速运动的物体，所以A、B、D 正确；当物体运动的速率接 近于光速时，经典力学就不适用了，故C 错误.