第七章萬有引力與宇宙航行5相對論時空觀與牛頓力學的局限性學習目標學法指導1．知道光速不變原理，了解相對論的時間延緩效應和長度收縮效應2．知道牛頓力學的成就和局限性，了解物理學發(fā)展的歷史1．通過學習和閱讀教材，初步了解相對論時空觀．了解時間延緩和長度收縮效應．通過閱讀“科學漫步”激發(fā)關注宇宙起源和演化的科學興趣2．通過互聯(lián)網(wǎng)學習，了解相對論，學習相對論的建立及對人類認識世界的作用知識導圖課前·

自主預習1．牛頓力學時空觀河水相對岸的速度為v水岸，船相對水的速度為v船水，則船相對岸的速度為___________________．2．相對論時空觀(1)光速不變原理：真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是________的．相對論時空觀v船岸＝v船水＋v水岸相同(2)時間延緩效應：相對于地面以v運動的慣性參考系上的人觀察到與其一起運動的物體完成某個動作的時間間隔為Δτ，而地面上的人觀察到該物體在同一地點完成這個動作的時間間隔為Δt，則Δt＝__________.(3)長度收縮效應：與桿相對靜止的人測得桿長是l0，沿著桿的方向以v相對桿運動的人測得桿長是l，則l＝____________.參考系變化了，光速是否會變化？【答案】不變．假設地面上有一火車以接近光速的速度運行，車內(nèi)站立著一個中等身材的人，站在路旁的人觀察車里的人，觀察的結(jié)果是 (

)A．這個人是一個矮胖子B．這個人是一個瘦高個子C．這個人矮但不胖D．這個人瘦但不高【答案】D【解析】根據(jù)長度的相對性，相對運動方向長度減小，垂直于運動方向上的長度不變，所以這個人瘦但不高，D正確．1．牛頓力學的成就：從地面上物體的運動到天體的運動，都服從_____________的規(guī)律．2．牛頓力學的局限性：牛頓力學適用于___________、__________的物體而不適用于__________、高速的物體．牛頓力學的成就與局限性牛頓力學宏觀低速微觀相對論與量子力學否定了牛頓力學嗎？【答案】沒有．它們各自有適用范圍．(多選)下列說法正確的是

(

)A．研究鉛球的運動，可以用牛頓定律和運動學公式B．研究電子的運動可用牛頓定律和運動學公式C．研究電子運動要用狹義相對論原理，研究鉛球運動可用牛頓運動定律D．研究鉛球和電子的運動都要用牛頓運動定律【答案】AC【解析】以牛頓運動定律為基礎的經(jīng)典物理學處理低速、宏觀物體的運動是相當完美的，但對于高速的微觀的運動就無能為力了．顯然，鉛球的運動可以用牛頓定律來解決，電子的運動則不能用牛頓定律來解決，而要用狹義相對論原理來解決．本題主要考查經(jīng)典物理學的適用范圍，A、C正確．課堂·

重難探究例1一個時鐘，在它與觀察者有不同相對速度的情況下，時鐘的頻率是不同的，它們之間的關系如圖所示．相對論時空觀由此可知，當時鐘和觀察者的相對速度達到0.6c(c為真空中的光速)時，時鐘的周期大約為________．在日常生活中，我們無法察覺時鐘周期變化的現(xiàn)象，是因為觀察者相對于時鐘的運動速度________．若在高速運行的飛船上有一只表，從地面上觀察，飛船上的一切物理、化學過程和生命過程都變________(填“快”或“慢”)了．【答案】2.5s太小慢【解析】通過分析圖像，當相對速度為0.6c時，時鐘的頻率為0.4Hz，其周期為2.5s．時鐘變慢效應只有當相對速度比較大時，才有明顯的相對論效應，人類生活在低速宏觀世界中，很難觀察到愛因斯坦的相對論效應．無法察覺時鐘周期變化的現(xiàn)象，是因為觀察者相對于時鐘的運動速度太慢．變式1

(多選)接近光速飛行的飛船和地球上各有一個相同的銫原子鐘，飛船和地球上的人觀測這兩個鐘的快慢，下列說法正確的有

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)A．飛船上的人觀測到飛船上的鐘較快B．飛船上的人觀測到飛船上的鐘較慢C．地球上的人觀測到地球上的鐘較快D．地球上的人觀測到地球上的鐘較慢【答案】AC【解析】由狹義相對論的“鐘慢效應”原理可知，飛船上的人觀測到地球上的鐘比飛船上慢，地球上的人觀測到飛船上的鐘比地球上慢，故A、C正確，B、D錯誤．(1)由于日常生活中相對速度比較小，和光速相比可以忽略不計，故觀察不到明顯的相對論效應．(2)時鐘變慢效應中的相對速度的大小都是針對光速來說的．1．經(jīng)典力學只適用于處理物體的低速運動(v?c)．2．經(jīng)典力學不適用于微觀領域中能量不連續(xù)的運動．3．經(jīng)典力學規(guī)律只在慣性參考系中成立——經(jīng)典力學規(guī)律只能用于宏觀、低速(與光速相比)的情形，且只在慣性參考系中成立．經(jīng)典力學(牛頓力學)的適用范圍例2

(多選)20世紀，人們發(fā)現(xiàn)了一些新的事實，而經(jīng)典力學卻無法解釋．經(jīng)典力學只適用于解決物體的低速運動問題，不能用來處理高速運動問題，只適用于宏觀物體，一般不適用于微觀粒子．這說明

(

)A．隨著認識的發(fā)展，經(jīng)典力學已成了過時的理論B．人們對客觀事物的具體認識在廣度上是有局限性的C．不同領域的事物各有其本質(zhì)與規(guī)律D．人們應當不斷擴展認識，在更廣闊的領域內(nèi)掌握不同事物的本質(zhì)與規(guī)律【答案】BCD【解析】人們對客觀世界的認識要受到所處的時代的客觀條件和科學水平的制約，所以形成的看法也都具有一定的局限性，人們只有不斷擴展自己的認識，才能掌握更廣闊領域內(nèi)的不同事物的本質(zhì)與規(guī)律．新的科學的誕生并不意味著對原來科學的全盤否定，只能認為過去的科學是新的科學在一定條件下的特殊情形．變式2以下說法正確的是

(

)A．經(jīng)典力學理論普遍適用，大到天體，小到微觀粒子B．相對論與量子力學否定了經(jīng)典力學理論C．在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量隨運動狀態(tài)而改變D．經(jīng)典力學理論具有一定的局限性【答案】D【解析】經(jīng)典力學理論適應于宏觀物體，不適用微觀粒子，故A錯誤；相對論并沒有否定經(jīng)典力學，而是在其基礎上發(fā)展起來的，有各自成立范圍，故B錯誤；在相對論中，物體的質(zhì)量隨運動狀態(tài)而改變，在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量與運動狀態(tài)無關，故C錯誤；經(jīng)典力學理論具有一定的局限性，對高速微觀粒子不適用，故D正確．小練·

隨堂鞏固1．牛頓定律的適用范圍是

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)A．宏觀物體、低速運動B．微觀物體、低速運動C．宏觀物體、高速運動D．微觀物體、高速運動【答案】A【解析】牛頓定律僅適用于宏觀、低速物體的運動．這是牛頓定律的局限性．A正確．2．下列說法正確的是

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)A．由于相對論、量子論的提出，經(jīng)典力學已經(jīng)失去了它的意義B．經(jīng)典力學在今天廣泛應用，它的正確性無可懷疑，仍可普遍適用C．在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量隨運動狀態(tài)而改變D．狹義相對論認為，質(zhì)量、長度、時間的測量結(jié)果都與物體運動狀態(tài)有關【答案】D【解析】相對論、量子論的提出，沒有否定經(jīng)典力學，經(jīng)典力學是相對論、量子力學在低速、宏觀狀態(tài)下的特殊情形，對于高速、微觀的情形經(jīng)典力學不適用，故A、B錯誤；在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量不隨運動狀態(tài)而改變，故C錯誤；狹義相對論認為，質(zhì)量、長度、時間的測量結(jié)果都與物體運動狀態(tài)有關，故D正確．3．(多選)關于經(jīng)典力學、狹義相對論和量子力學，下列說法正確的是

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)A．狹義相對論和經(jīng)典力學是相互對立、互不相容的兩種理論B．在物體高速運動時，物體的運動規(guī)律適用狹義相對論理論，在低速運動時，物體的運動適用牛頓運動定律C．經(jīng)典力學適用于宏觀物體的運動，量子力學適用于微觀粒子的運動D．不論是宏觀物體，還是微觀粒子，經(jīng)典力學和量子力學都是適用的【答案】BC【解析】首先必須知道，經(jīng)典力學解決低速宏觀問題，高速問題應由狹義相對論解決，強引力場問題應由廣義相對論解決，微觀問題應由量子力學解決．相對論并沒有否定經(jīng)典力學，而是認為經(jīng)典力學是相對論理論在一定條件下的特殊情況，故A、D錯誤，B、C正確．4．對于下列運動，經(jīng)典力學不適用的是 (

)A．粒子以接近光速的速度運動B．汽車在高速公路上快速行駛C．“嫦娥五號”探測器繞月球飛行D．戰(zhàn)斗機從“遼寧號”航母上起飛【答案】A5．下列說法中不正確的是

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)A．桿的長度不會因為觀察者是否與桿做相對運動而不同，這是經(jīng)典物理學家的觀點B．由靜止的人來測沿自身長度方向運動的桿的長度，總比桿靜止時的長度小C．桿靜止時的長度為l0，不管桿如何運動，桿的長度均小于l0D．如果兩根平行的桿在沿自己的長度方向上做相對運動，與它們分別相對靜止的兩位觀察者都會認為對方的桿縮短了【答案】C【解析】經(jīng)典物理學家認為，空間是絕對的，桿的長度與觀察者相對它是否運動無關，A說法正確，不符合題意；狹義相對論認為，沿桿子方向運動的桿子的長度比它靜止時的長度