《相对论时空观与牛顿力学的局限性》学案

《7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性》学案【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，知道科学真理是相对的，未知世界必将在人类不懈的探索中被揭开更多的谜底。【课堂合作探究】轮船相对河岸的速度是多少？设想人类可以利用飞船以0.2c的速度进行星际航行。若飞船向正前方的某一星球发射一束激光，该星球上的观察者测量到的激光的速度是多少？一、相对论时空观1887年，美国科学家迈克尔逊和莫雷通过实验证明了，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，不同的参考系之间的速度变换关系（伽利略变换）不符！绝对时空观生活经验让我们体会到，时间像一条看不见的“长河”，均匀地自行流逝着，空间像一个广阔无边的房间，它们都不影响物体及其运动。也就是说，时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的。这种绝对时空观，也叫牛顿力学时空观。1.牛顿力学与电磁理论的冲突十九世纪，英国科学家麦克斯韦，提出了电磁场理论，预言了电磁波的存在，并从理论上证明了，电磁波传播的速度等于光速。人们不禁要问：这个速度是相对哪个参考系而言的呢？但在迈克尔逊和莫雷实验事实的面前，许多物理学家，仍然立足在牛顿力学时空观的基础上，想通过一些理论上的修补工作，解释实验现象。但是都没有成功，这导致牛顿力学与电磁理论的冲突。以爱因斯坦和庞加莱为代表的另一批物理学家，坚决主张，彻底放弃某些与实验事实不相符的观念，如绝对时间的观念，在实验事实的基础上，大胆提出，能够更好地解释实验现象的假设。物体的质量随速度的增大而增大随着物体速度的加快，时间会变慢。将一个钟表留在地面上，而携带另一个以很快速度移动，随后进行比较，地上的钟表总比快速移动的快。物体以接近光速运行时所表现出的长度会比它静止时更短。爱因斯坦指出，任何物体以光速运动时，其长度将会缩短为零。、由上面两个式子可以知道，运动物体的长度（空间距离）和物理过程的快慢（时间进程）都跟物体运动状态有关。这个结论具有革命性的意义，它反映的时空观称作相对论时空观。有一种基本粒子叫μ子，当它低速运动时，它的平均寿命是3.0μs，当μ子以0.99c的速度飞行时，若选μ子为参考系，μ子的平均寿命是多少？若以地面为参考系，μ子的平均寿命是多少？事实上，到达地面的μ子，大多产生于距地面8km的高空，科学家们根据经典理论，可以计算出每秒到达地面的μ子个数。但这个理论数值小于实际观察到μ子个数。这是为什么呢？相对论时空的验证实验将铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东和向西绕地球一周，回到原处后，分别比静止在地面上的钟慢59纳秒和快273纳秒。实验结果与理论预言符合的很好。这是相对论的第一次宏观验证。牛顿力学的成就与局限性1.牛顿力学的成就牛顿力学的诞生开创了人类科技文明的新纪元，为工业革命和现代生活奠定了基础。从地面上物体的运动到天体运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从普通的交通工具到发射人造卫星和宇宙飞船.....所有这些都符合牛顿力学的规律。牛顿力学在如此广泛的领域里与事实相符合，显示出牛顿力学的正确性和无限魅力。牛顿主要贡献经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更确立了牛顿的地位，牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域，经受实践检验。杨振宁曾赞颂到：“如果一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛顿《自然哲学的数学原理》在1687年出版的那一天。”2.牛顿力学的成就(1)实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。(2)确定了自然科学应有的基本特征。(3)将“实验和数学”相结合的方法推广到物理学的各个分支，形成了完整的经典力学体系。19世纪末-20世纪初，深入到微观领域，发现电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性，很多情况下经典力学说明不了。和所有的真理一样，牛顿力学也具有局限性。3.牛顿力学的局限性牛顿力学只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界；只适用于弱引力情况，不适用于强引力情况。在微观世界中（尺度在10-10m以下），由于物质的存在和运动形式（波粒二象性），较宏观世界，有较大的不同,牛顿力学也不适用。【课堂检测】1、关于经典力学，下列说法中正确的是()A．相对论与量子力学否定了经典力学理论B．经典力学可以解决自然界中所有的问题C．经典力学适用于微观领域质子、电子的运动D．经典力学适用于发射的导弹、人造卫星、宇宙飞船的运动2.关于狭义相对论，下列说法不正确的是()A．狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的B．狭义相对论认为在一切惯性系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关C．狭义相对论只涉及无加速度运动的惯性系D．狭义相对论任何情况下都适用3.有两个惯性参考系1和2，彼此相对做匀速直线运动，下列叙述正确的是()A．在参考系1看来，2中的所有物理过程都变快了；在参考系2看来，1中的所有物理过程都变慢了B．在参考系1看来，2中的所有物理过程都变快了；在参考系2看来，1中的所有物理过程也变快了C．在参考系1看来，2中的所有物理过程都变慢了；在参考系2看来，1中的所有物理过程都变快了D．在参考系1看来，2中的所有物理过程都变慢了；在参考系2看来，1中的所有物理过程也变慢了【达标训练】一、单选题1.经典力学不能适用于下列哪些运动的研究

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.以倍光速运行的电子束2.2017年10月3日，瑞典皇家科学院将2017年诺贝尔物理学奖授予了三位美国科学家，以表彰他们对LIGO探测装置的决定性贡献．引力波是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.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、量子论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值3.如下图所示，a、b、c为三个完全相同的时钟，a放在水平地面上，b、c分别放在以速度、向同一方向飞行的两枚火箭上，且，则地面的观察者认为走得最慢的钟为

A.a B.b C.c D.无法确定4.经典力学规律不适用于下列运动的是A.子弹的飞行 B.飞船绕地球的运行C.列车的运行 D.粒子接近光速的运动5.下列说法符合史实的是A.开普勒在牛顿定律的基础上，总结出了行星运动的规律B.卡文迪许第一次在实验室里测出了万有引力常量C.牛顿建立的经典力学可以解决自然界中所有的问题D.“和谐号”动车组高速行驶时，在地面上测得的其车厢长度明显变短6.下列说法正确的是A.牛顿定律适合于解决宏观、低速的物体运动问题B.在真空中相对于不同的惯性参考系光速是不同的C.在高速运动的列车中的钟表比静止在地面上的钟表走的快D.在地面观察高速行进的列车时，测其长度会比它静止时的长度大7.下列说法中正确的是A.牛顿运动定律就是牛顿力学B.牛顿力学的基础是牛顿运动定律C.牛顿运动定律可以解决自然界中的所有问题D.牛顿力学可以解决自然界中的所有问题8.在一个高速旋转的巨大转盘上放置三个完全相同的时钟，a放在转轴处，b放在中间，c放在边缘处，如下图所示．对于地面上的观察者，根据相对论认为三个时钟的快慢情况，下列说法正确的是A.a钟最快，b、c钟一样慢 B.a钟最慢，b、c钟一样快C.a钟最快，c钟最慢 D.a钟最慢，c钟最快二、多选题9.多选年6月16日，来自中国的“墨子号”量子卫星从太空发出两道红色的光射向青海德令哈站与千里外的云南丽江高美古站，首次实现了人类历史上第一次距离达“千公里级”的量子密钥分发．下列说法正确的是A.经典力学适用于“墨子号”绕地球运动的规律B.经典力学适用于光子的运动规律C.量子力学可以描述“墨子号”发出两道红光的运动规律D.量子力学的发现说明经典力学已经失去了应用价值三、简答题（本大题共1小题，共3.0分）一列速度接近光速的火车静止时的长度比隧道的长度大经过隧道时，站在地面上的人还看到两个闪电同时击中隧道的两端，但由于“动尺变短”效应，站在隧道旁边的人看到火车完全进入了隧道，刚好不会被闪电击中。但是，站在车上的人看到的却是隧道变得更短，不可能完全遮住整列火车，那么他看到的闪电会不会击中火车呢？参考答案【课堂检测】D2.B3.D【达标训练】1.D【解析】火箭的发射、宇宙飞船绕地球的运动、宇宙探测器的运动都属低速，经典力学能适用。对于高速微观的情形经典力学不适用，故对以倍光速运行的电子束不适用；故选D。2.A【解析】于宏观低速运动的物体，故A正确；B.牛顿力学取得了巨大的成就，但它也具有一定的局限性，并不是普遍适用的，在微观高速情况下，要用量子力学和相对论来解释，但是并不会因为相对论和量子力学的出现，就否定了牛顿力学取得了巨大的成就，故B错误；在微观高速情况下，要用量子力学和相对论来解释，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，牛顿力学在其适用范围内仍然是正确的，故不会过时也不会失去应用价值，故CD错误。故选A。3.C【解析】如题图所示，地面上的观察者认为C钟走得最慢，因为它相对于观察者的速度最大，根据公式可知，相对于观察者的速度v越大，其上的时间进程越慢，所以c走的最慢。地面上的钟a的速度，它所记录的两事件的时间间隔最大，即地面上的钟走得最快。故C正确，ABD错误。故选C。4.D【解析】解：A、B、C、经典力学的适用范围是宏观、低速情形，子弹的飞行、飞船绕地球的运行、列车的运动，经典力学能适用。故ABC错误；D、粒子接近光速的运动，对于微观的情形经典力学不适用。故D正确。故选：D。经典力学的适用范围是宏观、低速情形，高速情形要用相对论，微观粒子运动要用量子力学．电子及电子以下中子，质子，原子，离子，分子是实物粒子都可以认为是微观粒子；微观粒子不适用于经典力学．5.B【解析】A.开普勒在他的导师第谷天文观测数据的基础上，总结出了行星运动的规律，但并未找出了行星按照这些规律运动的原因；牛顿在开普勒行星运动定律的基础上推导出万有引力定律，故A错误；B.卡文迪许第一次在实验室里测出了万有引力常量，故B正确；C.牛顿运动定律不适用于微观高速物体，故C错误；D.“和谐号”动车组高速行驶时，其速度远远小于光速，则不会出现沿车厢长度明显变短的现象，故D错误。故选B。6.A【解析】A.牛顿定律是经典物理学的基础，仅适用于低速、宏观领域，故A正确；B.根据狭义相对论可知，在所有的惯性系中，光在真空中的传播速率具有相同的值c，这叫光速不变原理，故B错误；C.

根据狭义相对论的钟慢效应可知，在高速运动的列车中的钟表比静止在地面上的钟表走的慢，故C错误；D.根据狭义相对论的尺缩效应可知，在地面观察高速行进的列车时，测其长度会比它静止时的长度小，故D错误。故选A。7.B【解析】牛顿力学并不等同于牛顿运动定律，牛顿运动定律只是牛顿力学的基础，A错误，B正确；牛顿力学并非是万能的，也有其适用范围，它并不能解决自然界中的所有问题，CD错误。故选B。8.C【解析】根据公式，地面上的观察者认为c钟走得最慢，因为它相对观察者的速度最大；b钟比c钟快一些，而a钟最快，因为它的速度最小，故C正确，ABD错误．9.AC【解析】经典力学适用于宏观物体的运动，而不适用微观粒子的运动，故A正确，B错误；量子力学使用描述微观粒子的运动，故C正确，D错误。故选AC。10.不会，因为站在隧道旁的人看到两个闪电是同时发生的，但站在火车里面的人看到的两个闪电却不是同时发生的，他看到的现象是：在火车前面的闪电先发生，经过一段时间后，火车后面的闪电才发生，而在这个时间间隔里面，列车已经前进了一段距离，所以车尾也不会被闪电击中。【解析】【分析】该题考查相对论相关知识。熟知“动尺变短”效应原理是解决本题的关键。根据相对论原理结合题中信息分析解题即可。【解答】站在隧道旁的人看到两个闪电是同时发生的，但站在火车里面的人看到的两个闪电却不是同时发生的，他看到的现象是：在火车前面的闪电先发生，经过一段时间后，火车后面的闪电才发生，而在这个时间间隔里面，列车已经前进了一段距离，所以车尾也不会被闪电击中。课后篇巩固提升合格考达标练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,则壮壮观测到该光速的传播速度为()A.0.4c B.0.5c C.0.9c D.1.0c答案D解析根据光速不变原理,在任何参照系中测量的光速都是c,D正确。2.(多选)下列运动中经典力学规律适用的是()A.子弹的飞行 B.飞船绕地球的运行C.列车的运行 D.粒子接近光速的运动答案ABC解析经典力学的适用范围是宏观、低速的情形,子弹的飞行、飞船绕地球的运行、列车的运动,经典力学能适用,选项A、B、C正确;对于微观、高速的情形经典力学不再适用,选项D错误。3.关于经典力学,下列说法正确的是()A.仅适用于微观粒子的运动B.适用于宏观物体的低速运动C.经典力学中,物体的质量与其运动速度有关D.经典力学中,物体的长度与其运动速度有关答案B解析经典力学适用条件为宏观、低速,对微观、高速运动不再适用,选项A错误,B正确。在狭义相对论中,物体的质量、长度与其运动速度有关,经典力学中,物体的质量、长度与其运动速度无关,选项C、D错误。4.假设地面上有一列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解析由公式l=l01-(vc)

2可知,5.惯性系S中有一边长为l的正方形,从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图像是()答案C解析由l=l01-(vc)

2可知沿速度方向即x轴方向的长度变短了,而垂直于速度方向,6.如果飞船以0.75c的速度从你身边飞过,飞船上的人看飞船上的一个灯亮了10min,你观测到这个灯亮的时间约为多少?答案约15min解析设观测灯亮的时间为τ,则τ=τ01-vc2=7.一枚静止时长30m的火箭以0.6c的速度从观察者的身边掠过,则火箭上的人测得火箭的长度为多少?观察者测得火箭的长度为多少?答案30m24m解析一枚静止时长30m的火箭以0.6c的速度从观察者的身边掠过,根据狭义相对论得火箭上的人测得火箭的长度为30m。根据长度收缩效应L=L01-v2c2得观察者测得火箭的长度为等级考提升练8.如图所示,沿平直铁路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,列车上的观测者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是()A.同时被照亮 B.A先被照亮C.C先被照亮 D.无法判断答案C解析列车上观测者以列车为参考系,铁塔A、B、C按CA方向以接近光速运动,根据光速不变原理,铁塔B发出的闪光向A和C均以光速c传播,而A是远离光线运动,C是向着光线运动,在列车上的观测者看来,光传播到A的距离长一些,传播到C的距离短些,所以光线先传播到C,即铁塔C先被照亮,选项C正确。9.在一个高速旋转的巨大转盘上放置三个完全相同的时钟,a放在转轴处,b放在中间,c放在边缘处,如图所示。对于地面上的观察者,根据相对论认为三个时钟的快慢情况,下列说法正确的是()A.a钟最快,b、c钟一样慢 B.a钟最慢,b、c钟一样快C.a钟最快,c钟最慢 D.a钟最慢,c钟最快答案C解析根据公式Δt=Δτ1-vc2,地面上的观察者认为c钟走得最慢,因为它相对观察者的速度最大;b钟比c钟快一些,而10.(多选)接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相同的铯原子钟,飞船和地球上的人观测这两只钟的快慢,下列说法正确的有()A.飞船上的人观测到飞船上的钟较快B.飞船上的人观测到飞船上的钟较慢C.地球上的人观测到地球上的钟较快D.地球上的人观测到地球上的钟较慢答案AC解析飞船相对地球高速运动,所以地球上的人观测飞船上的时钟较慢,而地球相对飞船高速运动,所以飞船上的人认为地球上的时钟较慢,所以A、C正确,B、D错误。11.一艘太空飞船静止时的长度为3