5．相对论时空观与牛顿力学的局限性
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"基础认知·自主学习.TIF"
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一、相对论时空观
1．爱因斯坦假设：
(1)在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是
的。
(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是
的。
2．时间和空间的相对性：
(1)时间延缓效应。
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完成这个动作的时间间隔为Δt，那么两者之间的关系是Δt＝
。
由于物体的速度不可能达到光速，所以1－()2＜1，总有Δt≥Δτ，此种情况称为时间延缓效应。
(2)长度收缩效应。
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＝
。
由于1－()2<1，所以总有l≤l0，此种情况称为长度收缩效应。
3．相对论时空观：
l＝l0和Δt＝表明运动物体的长度(空间距离)和物理过程的快慢(时间进程)都跟物体的
有关。它所反映的时空观称作相对论时空观。
二、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，都服从
的规律。
2．牛顿力学的局限性：
(1)微观世界：电子、质子、中子等微观粒子，它们不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明。
(2)牛顿力学只适用于
运动，不适用于
运动。
某同学学习了相对论时空观与牛顿力学的局限性后，总结出以下结论：
①一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，这是经典物理学家的观点。
②一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。
③“动钟变慢”是时钟的精度因运动而发生了变化。
④长度、时间的测量结果会随物体与观察者的相对运动状态的改变而改变。
⑤高速运动的飞船中的宇航员发现地面的时钟变慢了。
⑥地面上的人认为两个事件同时发生，而高速运动的飞船中的宇航员却不这么认为。
你的判断：正确的结论有
。
A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上，B、C分别放在两个火箭上，以速度vB和vC朝同一方向飞行。
思考：若vB＜vC，地面上的观察者认为哪个时钟走得最慢？哪个走得最快？
P70【练习与应用】T1改编
假设火车以光速经过光源，从光源位置观察，火车车窗是变长还是变窄？
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"能力形成·合作探究.TIF"
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一、相对论时空观的理解(科学思维——科学推理)
如图，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？
1．狭义相对论的两个假设：
在经典力学中，v船岸＝v船水＋v水岸成立，但在两个不同参考系中，爱因斯坦认为该式不成立。1905年，爱因斯坦提出了两条基本假设(狭义相对论的基础)。
(1)相对性原理。
物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。
(2)光速不变原理。
在一切惯性参考系中，测得的真空中的光速c都相同。
2．爱因斯坦假设中的主要效应：
(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l会收缩，即l＝l0。
【典例】地面上长100
km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30
km/s的速度掠过，则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少？如果火箭的速度达到0.6c，则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少？
1．惯性系S中有一边长为l的正方形，从相对S惯性系沿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图中的( )
2．某星际飞船正在遥远的外太空飞行，假如它的速度可以达到0.7c，在地球上观测到其经过8.76×104
h的时间到达某星球，则在飞船上的人看来，其到达此星球需要的时间是( )
A．8.76×104
h
B．6.26×104
h
C．12.27×104
h
D．16.52×104
h
【补偿训练】
带电π介子静止时的平均寿命是2.6×10－8
s，某加速器射出的带电π介子的速率是2.4×108
m/s。求：在实验室中测得这种粒子的平均寿命。
二、牛顿力学的局限性(物理观念——相互作用观念)
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？
经典力学与相对论、量子力学的比较
区别
经典力学适用于低速运动的物体；相对论是爱因斯坦假设阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律。
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。
联系
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。
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。
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。
【典例】关于牛顿力学的适用范围和局限性，下列说法正确的是( )
A．牛顿力学过时了，应该被量子力学所取代
B．由于超音速飞机的速度太大，其运动不能用牛顿力学来解释
C．人造卫星的运动不适合用牛顿力学来描述
D．当物体的速度接近光速时，其运动规律不适合用牛顿力学来描述
牛顿力学的成就应用范围
1．适用于宏观的物体，对微观粒子在多种情况都不适用。
2．适用于低速物体，不适用于高速物体。
1．关于经典力学、爱因斯坦假设和量子力学，下列说法中正确的是( )
A．爱因斯坦假设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
2．(多选)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，创立了牛顿力学，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力学，创立了相对论，这说明( )
A．世界无限扩大，人不可能认识世界
B．人的意识具有能动性，能够正确地认识客观世界
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
【拓展例题】考查内容：光速不变原理的理解
【典例】科学家预言，在遥远的将来，离子推进发动机驱动的宇宙飞船很可能会用于宇宙航行，这种飞船能以接近光速飞行。设想在以0.9c飞行的飞船上打开一个光源，则下列说法正确的是( )
A．飞船正前方的观察者看到的光速为1.9c
B．飞船正后方的观察者看到的光速为0.1c
C．在垂直飞船前进方向上的观察者看到的光速是c
D．在任何地方的观察者看到的光速都是c
爱因斯坦
爱因斯坦出生于德国乌尔姆市的一个犹太人家庭(父母均为犹太人)。1900年毕业于瑞士苏黎世联邦理工学院，入瑞士国籍
。1905年，爱因斯坦获苏黎世大学物理学博士学位，并提出光子假设，成功解释了光电效应(因此获得1921年诺贝尔物理奖)；同年创立狭义相对论，1915年创立广义相对论，1933年移居美国，在普林斯顿高等研究院任职，1940年加入美国国籍同时保留瑞士国籍
。1955年4月18日，爱因斯坦于美国新泽西州普林斯顿逝世，享年76岁
。1999年12月，爱因斯坦被美国《时代周刊》评选为20世纪的“世纪伟人(Person
of
the
Century)”。
爱因斯坦的理论为核能的开发奠定了理论基础，为帮助对抗纳粹，他曾在利奥·西拉德等人的协助下致信美国总统富兰克林·罗斯福，直接促成了曼哈顿计划的启动，而二战后他积极倡导和平、反对使用核武器，并签署了《罗素—爱因斯坦宣言》
。爱因斯坦开创了现代科学技术新纪元，被公认为是继伽利略、牛顿之后最伟大的物理学家。
1．(水平1)如图，沿平直铁路线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，列车上的观察者测得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
2．(水平2)如图所示，竖直墙上挂着一面时钟，地面上静止的观察者A观察到钟的面积为S，另一观察者B以0.8c的速度沿平行于y轴方向运动，观察到钟的面积为S′。则S和S′的大小关系是( )
A.S＞S′
B．S＝S′
C．S＜S′
D．无法判断
3．(水平2)如图所示，假设一根10
m长的梭镖以光速穿过一根10
m长的管子，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.梭镖收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它
B．管子收缩变短，因此在某些位置上，梭镖从管子的两端伸出来
C．两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管子恰好遮住梭镖
D．所有这些都与观察者的运动情况有关
【补偿训练】
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( )
A.0.4c
B．0.5c
C．0.9c
D．1.0c
4．(水平2)一张正方形宣传画边长为5
m，平行地贴于铁路旁边的墙上，一超高速列车以2×108
m/s的速度接近此宣传画，这张画由司机测量时的宽度为多少米？高度为多少米？
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