人教版（2019）高中物理 必修第二册7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性学案（word含答案）

5．相对论时空观与牛顿力学的局限性
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．
必备知识·自主学习——突出基础性　素养夯基
一、相对论时空观
1．爱因斯坦两个假设
(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________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________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1－<1，所以总有Δt>Δτ，此种情况称为________．
(2)长度收缩效应
如果与杆________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－<1，所以总有l二、牛顿力学的成就与局限性
1．牛顿力学的成就
(1)从地面上物体的运动到________的运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从自行车到汽车、火车、飞机等________工具的运动，从投出篮球到发射________、人造地球卫星、宇宙飞船……所有这些都服从牛顿力学的规律．
(2)牛顿力学在如此广阔的领域里与实际相________，显示了____________的正确性和牛顿力学的魅力．
2．牛顿力学的局限性
(1)19世纪末和20世纪初，物理学研究深入到________，发现了电子、________、中子等微观粒子，而且发现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________来说明．
(2)20世纪20年代，________建立了，它能够很好地描述________运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用．
3．牛顿力学与相对论的关系
(1)当物体的运动速度________光速c时(c＝3×108 m/s)，相对论物理学与牛顿力学的结论________区别．
(2)当另一个重要常数即普朗克常量h可以忽略不计时(h＝6.63×10－34 J·s)．________和牛顿力学的结论没有区别．
(3)相对论与量子力学都没有________过去的科学，而只认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形．
导学1：相对论时空观
爱因斯坦对时间和空间进行了新的诠释，认为：时间和空间会随物体运动而发生变化，具有相对性，而产生这些变化是由于观测者在不同的惯性参考系中观测到的效果不一样．这就是相对论时空观．相对论时空观是爱因斯坦狭义相对论的基本内容．
导学2：长度的相对性
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航天员测得地月之间的距离仍为l0吗？
提示：不是，航天员测得的地月之间的距离小于l0.
导学3：经典力学的巨大成就
(1)从地面上物体的运动到天体的运动．
(2)从大气的流动到地壳的变动．
(3)从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械．
(4)从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动．
(5)从投出篮球到发射导弹、人造地球卫星、宇宙飞船……
所有这些都服从经典力学的规律．
拓展：经典时空观与相对论时空观
经典时空观 相对论时空观
相对的 光速 绝对的 (不变)
绝对的 同时 相对的
与运动无 关，绝对的 时间与 空间 与运动有 关，相对的
与运动无 关，不变的 质量 随速度增 加而增大
【思考辨析】　判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”．
(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航天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．(　　)
关键能力·合作探究——突出综合性　素养形成
探究点一　时间延缓效应和长度收缩效应
探究总结
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在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt，则Δt＝.
由于1－<1，所以总有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，则l＝l0.
由于1－<1，所以总有l(1)物体速度较低时，相对论长度近似等于静止长度．
(2)物体速度较高时，其相对论长度l＝l0.
典例示范
题型一　时间延缓效应
【例1】　如图所示，有三个完全相同的时钟，时钟A放在地面上，时钟B、C分别放在两个火箭上，两个火箭分别以速度vB和vC朝同一方向飞行，vBA．时钟A走得最慢 B．时钟B走得最慢
C．时钟C走得最慢 D．时钟C走得最快
题型二　长度收缩效应
【例2】　明明同学站在一条长木杆的中央附近，并且看到木杆落在地上时是两头同时落地，所以明明同学认为这木杆是平着落到了地上，而此时飞飞同学正以接近光速的速度从木杆前面掠过，如图所示，她看到 (　　)
A.两端同时落地
B．A端比B端先落地
C．B端比A端先落地
D．木杆是向左倾斜着落地的
思维方法
应用相对论的两个效应分析问题的注意点
(1)时间延缓效应是一种观测效应，不是时钟走快了或走慢了，也不是被观测过程的节奏变化了．
(2)长度收缩效应也是一种观测效应，并不是物体本身发生了收缩，另外在垂直于运动方向上不发生长度收缩效应．
(3)在两个惯性参考系中的观测者(相对高速运动)都会发现对方存在时间延缓效应和长度收缩效应．
练1　一枚静止时长度为30 m的火箭以1.5×108 m/s的速度从观察者的身边掠过，已知光速为3×108 m/s.观察者测得火箭的长度约为 (　　)
A．30 m B．15 m
C．34 m D．26 m
练2　(多选)用相对论的观点判断下列说法正确的是(　　)
A．时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度都不会改变
B．在地面上的人看来，以10 km/s的速度运动的飞船中的时钟会变快，但飞船中的宇航员却认为时钟是准确的
C．在地面上的人看来，以10 km/s的速度垂直地面向上运动的飞船在运动方向上会变短，而飞船中的宇航员却感觉地面上的人看起来比飞船中的人扁一些
D．当物体运动的速度v远小于c时，长度收缩效应和时间延缓效应都可以忽略不计
探究点二　牛顿力学的成就与局限性
探究总结
牛顿力学、相对论及量子力学的比较
牛顿力学 自然界中宏观、低速物体的运动，都服从牛顿力学的规律
相对论 空间、时间、质量与运动相联系；阐述了物体在以接近光速运动时所遵循的规律
量子力学 微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性；正确描述微观粒子的运动规律
典例示范
【例3】　下列说法正确的是(　　)
A．经典力学适用于任何情况下的任何物体
B．狭义相对论否定了经典力学
C．量子力学能够描述微观粒子运动的规律
D．万有引力定律也适用于强引力
练3　关于牛顿力学的局限性，下列说法正确的是(　　)
A．牛顿力学适用于宏观低速运动的物体
B.由于牛顿力学局限性，所以一般力学问题都用相对论来解决
C．火车提速后，有关速度问题不能用牛顿力学来处理
D．牛顿力学只适用于像地球和太阳那样大的宏观物体
练4　(多选)关于牛顿力学、相对论与量子力学的说法正确的是(　　)
A．当物体的速度接近光速时，牛顿力学就不适用了
B．相对论和量子力学的出现，使牛顿力学失去了意义
C．量子力学能够描述微观粒子运动的规律性
D．万有引力定律也适用于强引力场
　
随堂演练·达标自测——突出创新性　素养达标
1．如图所示，强强乘速度为0.9c(c为真空中的光速)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
2．某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行，如果希望把路程缩短为3光年，则他所乘飞船相对地球的速度为 (　　)
A．0.5c B．0.6c
C．0.8c D．0.9c
3．一艘太空飞船静止时的长度为30 m，他以0.6c(c为光速)的速度沿长度方向飞行越过地球，下列说法正确的是(　　)
A．飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30 m
B．地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 m
C．飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于c
D．地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c
4．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
5．如图所示，假设一根10 cm长的梭镖以接近光速穿过一根10 cm长静止的管子，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．静止的观察者看到梭镖收缩变短，因此在某个位置，管子能完全遮住梭镖
B．静止的观察者看到梭镖变长，因此在某个位置，棱镖从管子的两端伸出来
C．静止的观察者看到两者的收缩量相等．因此在某个位置，管子仍恰好遮住梭镖
D．如果梭镖和管子都以光速c相向运动，则二者的相对速度是2c
6．有一对孪生兄弟A和B，其中B乘坐速度为v＝0.9c的火箭飞往大角星(牧夫座a)，而后又飞回地球．根据A在地球上的观测，大角星离地球有36光年远，这次B往返飞行经历时间为80.8年．如果B在离开地球时，他们的年龄都为20岁，试问当B回到地球时，他们的年龄各有多大？
5．相对论时空观与牛顿力学的局限性
必备知识·自主学习
一、
1．(1)相同　(2)相同
2．(1)惯性参考系　同一地点　　时间延缓效应　(2)相对静止　l0　长度收缩效应
二、
1．(1)天体　现代交通　导弹　(2)符合　牛顿运动定律　
2．(1)微观世界　质子　牛顿力学　(2)量子力学　微观粒子
3．(1)远小于　没有　(2)量子力学　(3)否定
思考辨析
答案：(1)√　(2)×　(3)×　(4)√　(5)√　(6)√
关键能力·合作探究
探究点一
【例1】　【解析】　依据相对论的时空观，运动的时钟变慢，时钟C的速度最大，时钟C走得最慢，C正确，A、B、D错误．
【答案】　C
【例2】　【解析】　站在一条长木杆的中央附近的明明同学看到木杆落在地上时是两头同时落地；飞飞同学正以接近光速的速度从木杆前面掠过，飞飞同学以自己为参考系，认为杆以接近光速的速度向左运动的同时在下落，根据狭义相对论的长度收缩效应，杆的长度变短了，但竖直高度不变，杆两端仍然是在同一个时刻落地，A正确．
【答案】　A
练1　解析：根据长度收缩效应有L＝L0，得观察者测得火箭的长度为L＝30× m≈26 m，故D正确，A、B、C错误．
答案：D
练2　解析：根据相对论可知，时间和空间都是相对的，没有绝对准确的时间和空间，A项错误；由Δt＝知，在地面上看运动的时钟会变慢，B项错误；由l′＝l 可知两处的人都感觉l′答案：CD
探究点二
【例3】　【解析】　A错：经典力学只适用于宏观、低速、弱引力的情况．B错：狭义相对论没有否定经典力学，在宏观、低速情况下，相对论的结论与经典力学没有区别．C对：量子力学能很好地描述微观粒子运动的规律．D错：万有引力定律只适用于弱引力，而不适用于强引力．
【答案】　C
练3　解析：牛顿运动定律属于牛顿力学的研究范畴，适用于宏观低速运动的物体，并注意到低速和高速的标准是相对于光速而言的，可判定牛顿运动定律适用于B、C、D中描述的运动．
答案：A
练4　解析：牛顿力学只适用于低速宏观的物体，故A正确；相对论和量子力学的出现，并没有否定牛顿力学，只是说牛顿力学有一定的适用范围，故B错误；量子力学描述了微观粒子运动的规律性，故C正确；万有引力定律只适用于较弱的引力场，而对于如白矮星、中子星的强引力场是不适用的，故D错误．
答案：AC
随堂演练·达标自测
1．解析：根据爱因斯坦的相对论，在一切惯性系中，光在真空中的传播速度都等于c，故D正确．
答案：D
2．解析：由l＝l0得，3＝5，解得v＝0.8c，故C正确．
答案：C
3．解析：根据相对论知识判断地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 m，A错误，B正确；由光速不变原理知C、D错误．
答案：B
4．解析：根据公式Δt＝，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，选项C正确．
答案：C
5．解析：根据狭义相对论的尺缩效应，梭镖相对于静止的观察者高速运动，那么梭镖收缩变短，而管子相对于静止的观察者是静止的，那么管子长度不变，所以静止的观察者看到梭镖收缩变短，因此在某个位置，管子能完全遮住梭镖，故A正确，B、C错误；如果梭镖和管子都以光速c相向运动，根据相对论的原理可知二者的相对速度是c，故D错误．
答案：A
6．解析：设B在飞船惯性系中经历时间为t′，根据时间延缓效应得：t＝，即80.8＝，解得t′≈35.2年．所以B回到地球时的年龄为20＋35.2＝55.2(岁)；此时A的年龄为20＋80.8＝100.8(岁)．
答案：B：55.2岁　A：100.8岁