專題7.5相對論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性（講）講教材本節(jié)課所采用的教材是人教版高中物理必修第二冊第七章第5節(jié)的內(nèi)容。本節(jié)內(nèi)容是學(xué)習(xí)完經(jīng)典力學(xué)以后所做的介紹性質(zhì)內(nèi)容，它可以拓展學(xué)生的知識(shí)面、展示科學(xué)探究的無限可能，建立科學(xué)思想、科學(xué)的思維方法，培養(yǎng)科學(xué)精神，在情感、態(tài)度與價(jià)值觀方面發(fā)揮應(yīng)有的教育功能。本節(jié)教材先介紹相對論時(shí)空觀，并給出了時(shí)間延緩效應(yīng)，長度收縮效應(yīng)。然后講解了牛頓力學(xué)的成就與局限性，讓學(xué)生體會(huì)任何學(xué)科都有局限性，并不是牛頓力學(xué)過時(shí)了，要理解各自成立的條件。講核心素養(yǎng)物理觀念：了解相對論量子論的建立對人類深入認(rèn)識(shí)客觀世界的作用，知道物理學(xué)改變?nèi)藗兪澜缬^的作用。科學(xué)思維：經(jīng)歷科學(xué)家建立相對論和量子論的思維探索過程，認(rèn)識(shí)科學(xué)思維的意義?？茖W(xué)探究：通過閱讀課文體會(huì)一切科學(xué)都有自己的局限性，新的理論會(huì)不斷完善和補(bǔ)充舊的理論，人類對科學(xué)的認(rèn)識(shí)是無止境的?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過對牛頓力學(xué)適用范圍的討論，使學(xué)生知道物理中的結(jié)論和規(guī)律一般都有其適用范圍，認(rèn)識(shí)知識(shí)的變化性和無窮性，培養(yǎng)獻(xiàn)身于科學(xué)的時(shí)代精神。講圖片思維導(dǎo)圖講考點(diǎn)和題型【考點(diǎn)一】相對論時(shí)空觀1．19世紀(jì)，英國物理學(xué)家麥克斯韋根據(jù)電磁場理論預(yù)言了電磁波的存在，并證明電磁波的傳播速度等于光速c．2．1887年的邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)以及其他一些實(shí)驗(yàn)表明：在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的．3．愛因斯坦假設(shè)(1)在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的．(2)真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的．4．時(shí)間和空間的相對性(1)時(shí)間延緩效應(yīng)如果相對于地面以速度v運(yùn)動(dòng)的慣性參考系上的人觀察到與其一起運(yùn)動(dòng)的物體完成某個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為Δτ，地面上的人觀察到該物體在同一地點(diǎn)完成這個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為Δt，那么兩者之間的關(guān)系是Δt＝eq\f(Δτ,1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2)).由于1－eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2)<1，所以總有Δt>Δτ，此種情況稱為時(shí)間延緩效應(yīng)．(2)長度收縮效應(yīng)如果與桿相對靜止的人測得桿長是l0，沿著桿的方向，以v相對桿運(yùn)動(dòng)的人測得桿長是l，那么兩者之間的關(guān)系是l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2)).由于1－eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2<1，所以總有l(wèi)<l0，此種情況稱為長度收縮效應(yīng)．5．相對論時(shí)空觀Δt＝eq\f(Δτ,1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2))和l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2))表明運(yùn)動(dòng)物體的長度(空間距離)和物理過程的快慢(時(shí)間進(jìn)程)都跟物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)．它所反映的時(shí)空觀稱作相對論時(shí)空觀．【例1】下列說法中正確的是（）A．伽利略發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，并測得了引力常量B．當(dāng)r趨近于零時(shí)，兩個(gè)物體間的萬有引力趨近于無窮大C．處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，其內(nèi)部的電場強(qiáng)度不為零D．相對論時(shí)空觀認(rèn)為在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律相同【變式訓(xùn)練1】如下圖所示，慣性系S中有一邊長為l的立方體，從相對S系沿x方向以接近光速勻速飛行的飛行器上觀察該立方體的形狀是（）A．B．C． D．【考點(diǎn)二】牛頓力學(xué)的成就與局限1．牛頓力學(xué)的局限性電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，它們不僅具有粒子性，同時(shí)還具有波動(dòng)性，它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律在很多情況下不能用牛頓力學(xué)來證明．2．牛頓力學(xué)的適用范圍只適用于低速運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界．3．相對論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的聯(lián)系當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速c時(shí)(c＝3×108m/s)，相對論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別；當(dāng)另一個(gè)重要常數(shù)即普朗克常量h可以忽略不計(jì)時(shí)(h＝6.63×10－34J·s)，量子力學(xué)和牛頓力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別．相對論與量子力學(xué)都沒有否定過去的科學(xué)，而只認(rèn)為過去的科學(xué)是自己在一定條件下的特殊情形．【例2】下列說法正確的是（）A．經(jīng)典力學(xué)能夠說明微觀粒子的規(guī)律性B．對于宏觀物體的高速運(yùn)動(dòng)問題，經(jīng)典力學(xué)仍適用C．相對論與量子力學(xué)的出現(xiàn)，說明經(jīng)典力學(xué)已失去意義D．經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀物體的低速運(yùn)動(dòng)問題，不適用于高速運(yùn)動(dòng)的物體【變式訓(xùn)練2】以下說法不正確的是（）A．開普勒通過研究第谷的行星觀察記錄，最終提出行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的軌道都是橢圓B．海王星的發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證了萬有引力定律的正確性，顯示了理論對實(shí)踐的巨大指導(dǎo)作用C．絕對時(shí)空觀認(rèn)為空間和時(shí)間是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的D．當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，相對論和牛頓力學(xué)的結(jié)論仍有很大的區(qū)別講課堂練習(xí)1．關(guān)于牛頓力學(xué)、相對論和量子力學(xué)，下列說法中正確的是（）A．相對論和牛頓力學(xué)是相互對立、互不相容的兩種理論B．在物體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律適用于相對論，在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律適用于牛頓運(yùn)動(dòng)定律C．牛頓力學(xué)適用于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)，也適用于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)D．不論是宏觀物體，還是微觀粒子，牛頓力學(xué)和量子力學(xué)都是適用的2．美國科學(xué)家于2016年2月11日宣布，他們探測到引力波的存在。引力波是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證愛因斯坦相對論的最后一塊缺失的“拼圖”。相對論在一定范圍內(nèi)彌補(bǔ)了牛頓力學(xué)的局限性。關(guān)于牛頓力學(xué)，下列說法正確的是（）A．牛頓力學(xué)完全適用于宏觀低速運(yùn)動(dòng)B．牛頓力學(xué)取得了巨大成就，是普遍適用的C．隨著物理學(xué)的發(fā)展，牛頓力學(xué)將逐漸成為過時(shí)的理論D．由于相對論的提出，牛頓力學(xué)已經(jīng)失去了它的應(yīng)用價(jià)值3.來自中國的全國首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”從太空發(fā)出兩道紅色的光，射向青海德令哈站與千公里外的云南麗江高美古站，首次實(shí)現(xiàn)人類歷史上第一次距離達(dá)“千公里級”的量子密鑰分發(fā)。下列說法正確的是（）A．牛頓力學(xué)適用于描述“墨子號(hào)”繞地球運(yùn)動(dòng)的規(guī)律B．牛頓力學(xué)適用于描述光子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律C．量子力學(xué)可以描述“墨子號(hào)”發(fā)出的“兩道紅色的光”的運(yùn)動(dòng)規(guī)律D．量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)說明牛頓力學(xué)已失去了實(shí)用價(jià)值4.用相對論的觀點(diǎn)判斷，下列說法正確的是（）A．時(shí)間和空間都是絕對的，在任何參考系中一個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間和一個(gè)物體的長度不會(huì)改變B．在地面上的人看來，以10km/s的速度運(yùn)動(dòng)的飛船中的時(shí)鐘會(huì)變慢，但是飛船中的宇航員卻看到時(shí)鐘是準(zhǔn)確的C．在地面上的人看來，以10km/s的速度向上運(yùn)動(dòng)的飛船在運(yùn)動(dòng)方向上會(huì)變短，而飛船中的宇航員卻感覺到地面上的人看起來比飛船中的人扁一些D．當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)的速度時(shí)，時(shí)間變化和長度變化效果可忽略不計(jì)5．年成功發(fā)射的“東方紅一號(hào)”