人教版高中物理必修第二册第七章万有引力与宇宙航行第5节相对论时空观与牛顿力学的局限性课件（42页PPT）

(共42张PPT)
[学习目标]
1.知道什么是绝对时空观和相对论时空观。
2.知道爱因斯坦的两个假设，知道时间延缓效应和长度收缩效应。
3.了解牛顿力学的局限性和适用范围。
1.电磁波与光速
英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了______的存在，并证明电磁波的传播速度等于______。1887年的迈克耳孙—莫雷实验以及其他一些实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度都是_____的。
2.爱因斯坦假设
(1)在不同的_____参考系中，物理规律的形式都是_____的。
(2)真空中的_____在不同的惯性参考系中大小都是____的。
电磁波
光速c
一样
惯性
相同
光速
相同
惯性参考系
＞
时间延缓效应
静止
<
5.相对论时空观
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。
运动状态
[思考探究]
(1)运动物体的长度(空间距离)和物理过程的快慢(时间进程)都跟物体的运动状态有关。实际上物体长度和时间的长度真的变化了吗？
(2)在地面上校准的两只钟，一只留在地面上，一只随宇宙飞船遨游太空，隔一段时间飞船返回地面时，两只钟显示的时间相同吗？有什么差别？
[提示]　(1)没有，这只是一种观测效果。
(2)不相同。随飞船旅行的时钟变慢。
D
解析　根据爱因斯坦的光速不变原理可知，即光在真空中沿任何方向传播速度都是c，则观察者在地面上任何地方和在飞船中观测光的速度均为c，故选D。
[例2]　假设地面上有一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
解析　取路旁的人为惯性参考系，车上的人相对于路旁的人高速运动，根据长度收缩效应，人在运动方向上将变窄，但在垂直于运动方向上没有发生变化，故D正确。
D
[例3]　A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上，B、C分别放在以速度v1和v2朝相反方向飞行的飞行器中，且v1A.A时钟 B.B时钟
C.C时钟 D.无法确定
A
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，另外物体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。
1.牛顿力学的成就：从地面上物体的运动到天体的运动，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、飞机等现代交通工具的运动，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_________的规律。
2.牛顿力学的局限性：电子、质子、中子等微观粒子不仅具有_______，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，而________能够很好地描述微观粒子的运动规律。
牛顿力学
粒子性
牛顿力学
量子力学
3.经典力学的适用范围：只适用于_____运动，不适用于_____运动；只适用于_____世界，不适用于____世界。
低速
高速
宏观
微观
[易错辨析]
(1)相对论和量子力学的出现，说明经典力学已失去意义。( )
(2)原子中电子的运动能用经典力学进行解释。( )
(3)空气中灰尘的运动能用经典力学进行解释。( )
(4)牛顿力学只适用于世界上普通的物体，研究天体的运动牛顿力学就无能为力了。( )
(5)洲际导弹的速度可达到6 000 m/s，在这种高速运动状态下，牛顿力学不适用。( )
(6)对于质子、电子的运动情况，牛顿力学同样适用。( )
×
×
√
×
×
×
[例4]　(多选)以下说法正确的是(　　)
A.牛顿力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用
B.牛顿力学理论具有一定的局限性
C.在牛顿力学中，物体的质量不随运动状态改变而改变
D.相对论和量子力学否定了牛顿力学理论
BC
解析　牛顿力学理论具有一定的局限性，它只适用于低速、宏观物体的运动，故A错误，B正确；在牛顿力学中，物体的质量不随运动状态的改变而改变，即物体的质量和物体运动的速度无关，故C正确；相对论和量子力学并没有否定过去的科学，而是认为牛顿力学理论是在一定条件下的特殊情形，故D错误。
[例5]　下列物理现象，用牛顿力学无法解释的是(　　)
A.高速运动的μ子寿命变长
B.人造卫星绕地球做匀速圆周运动
C.汽车转弯时发生的侧滑现象
D.随瀑布自由下落的物体不受浮力作用
A
解析　高速运动的μ子寿命变长涉及高速微观领域，牛顿力学对于高速微观领域不适用，无法解释，故A符合题意；人造卫星绕地球做匀速圆周运动、汽车转弯时发生的侧滑现象、随瀑布自由下落的物体不受浮力作用均属于低速宏观领域，用牛顿力学可以解释，故B、C、D不符合题意。
1.(光速不变原理)地面上的观察者测得真空中的光速为v1，在匀速直线运动的列车内，观察者测得真空中的光速为v2，根据狭义相对论，下列判断正确的是(　　)
A.v1>v2 B.v1C.v1＝v2 D.无法确定
C
解析　根据狭义相对论光速不变原理，光在真空中总是以确定的速度传播，在真空中的各个方向上，光信号传播速度的大小均相同，光速同光源的运动状态和观察者所处的惯性系无关，可知v1＝v2，故C正确。
2.(时间延缓效应)你现在正在完成60分钟的物理考试，假设一艘飞船相对你以0.3c的速度匀速飞过(c为真空中的光速)，则飞船上的观察者根据相对论认为你考完这场考试所用时间(　　)
A.大于60分钟 B.等于60分钟
C.小于60分钟 D.不能确定
A
3.(长度收缩效应)(多选)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。下列说法正确的是(　　)
AD
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，梭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.相对梭镖静止的观察者看到管子变短，在某个位置，梭镖从管子的两端伸出来
解析　根据狭义相对论的尺缩效应，如果梭镖相对于观察者运动，那么梭镖收缩变短，而管子长度不变，因此在某个位置，管子能完全遮住梭镖，故A正确，B、C错误；管子相对梭镖高速运动，由尺缩效应可知相对梭镖静止的观察者看到管子变短，在某个位置，梭镖从管子的两端伸出来，故D正确。
4.(牛顿力学的成就与局限性)关于牛顿力学理论，下述说法正确的是(　　)
A.牛顿力学适用于宏观、低速、弱引力场
B.相对论和量子力学证明了牛顿力学是错误和过时的
C.牛顿力学认为时空是相对的
D.牛顿力学可以预言各种尺度下的运动
A
解析　牛顿力学适用于宏观、低速、弱引力场，A正确；相对论和量子力学适用于微观高速粒子的运动，并没有否定牛顿力学，B错误；牛顿力学中，认为时间和空间都是绝对的，C错误；牛顿力学不适用于微观、高速情况下的运动，D错误。
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[基础巩固练]
ACD
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1.(多选)如果牛顿定律在参考系A中成立，而参考系B相对于A做匀速直线运动，则在参考系B中(　　)
A.牛顿定律也同样成立
B.牛顿定律不能成立
C.A和B两个参考系中，一切力学规律都是相同的
D.参考系B也是惯性参考系
解析　牛顿定律适用于惯性参考系，参考系B也是惯性参考系，牛顿定律也同样成立；A和B两个参考系中，一切力学规律都是相同的，故A、C、D正确，B错误。
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2.下列物理情景中，经典的牛顿力学不再适用的是(　　)
A.电子以接近光的速度运动
B.超音速飞行的歼－20战机
C.地球绕太阳运动
D.体育课上，被小明同学抛出的篮球
A
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解析　牛顿力学适用于宏观低速运动的物体，对微观高速运动的粒子不再适用，因此当电子以接近光的速度运动时，牛顿力学不再适用；而超音速飞行的歼－20战机、地球绕太阳运动以及抛出的篮球都属于宏观低速运动的物体，牛顿力学完全适用，故选A。
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3.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，壮壮乘坐的飞船的飞行速度为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(　　)
D
A.0.4c B.0.5c
C.0.9c D.c
解析　根据爱因斯坦相对论，在任何参考系中，光速不变，即光速不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变，所以壮壮观测到该光束的传播速度为c，所以A、B、C错误，D正确。
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4.真空中光速为c。如图为一车厢，向右做匀速直线运动，v＝0.9c，车厢内中心有一光源，上方有一个接收器，车厢内可视为真空。车厢内的人测得车厢长为L1，则地面上的人测得车厢长为L2，则(　　)
C
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A.L1C.L1>L2 D.无法判断
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5.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(　　)
C
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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
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6.两相同的米尺，分别静止于两个相对运动的惯性参考系S和S′中，若米尺都沿运动方向放置，则(　　)
A.S系的人认为S′系的米尺要短些
B.S′系的人认为S系的米尺要长些
C.两系的人认为两系的米尺一样长
D.S系的人认为S′系的米尺要长些
A
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7.假设兄弟二人，哥哥乘坐宇宙飞船以接近光速的速度离开地球去遨游太空，经过一段时间后返回地球，哥哥惊奇地发现弟弟比自己苍老许多。则该现象的科学解释是(　　)
A.哥哥在太空中发生了基因突变，停止生长了
B.弟弟因思念哥哥而加速生长
C.由相对论可知，物体速度越大，其时间进程越慢，生理进程也越慢
D.这是神话，科学无法解释
C
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[能力提升练]
AC
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8.(多选)来自中国的量子科学实验卫星“墨子号”从太空发出两道红色的光，射向青海德令哈站与千公里外的云南丽江高美古站，首次实现人类历史上距离达“千公里级”的量子密钥分发。下列说法正确的是(　　)
A.牛顿力学适用于描述“墨子号”绕地球运动的规律
B.牛顿力学适用于描述光子的运动规律
C.量子力学可以描述“墨子号”发出的“两道红色的光”的运动规律
D.量子力学的发现说明牛顿力学已失去了实用价值
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解析　牛顿力学可以用来描述宏观低速运动问题，故牛顿力学适用于描述“墨子号”绕地球运动的规律，故A正确；对于运动速度接近光速的物体的运动，不适合用牛顿力学来描述，故B错误；量子力学可以描述“墨子号”发出的“两道红色的光”的运动规律，因为红光运动速度为光速，所以需考虑相对论效应，使用量子力学描述，故C正确；量子力学和牛顿力学适用范围不同，量子力学适用于高速运动，在宏观低速运动中，牛顿力学仍然适用，不能说牛顿力学已经失去了实用价值，故D错误。
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9.若一列火车以接近光速的速度在高速行驶，车上的人用望远镜来观察地面上的一只排球，其观察的结果是(　　)
C
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A.像一只乒乓球(体积变小)
B.像一只篮球(体积变大)
C.像一只橄榄球(竖直放置)
D.像一只橄榄球(水平放置)
解析　根据狭义相对论，以观察者为参考系，则排球以接近光速的速度反向运动，由长度收缩效应可知，观察者测得排球水平宽度变短，竖直长度不变，因此观察的结果是像一只竖直放置的橄榄球，故选C。
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10.如图所示，质量与身高均相同的甲、乙两人分别乘坐速度为0.6c和0.8c(c为光速)的飞船在太空中同向运动。则下列说法正确的是(　　)
D
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A.乙观察到甲身高变高
B.甲观察到乙身高变低
C.若甲向乙挥手，则乙观察到甲动作变快
D.若甲向乙发出一束光进行联络，则乙观察到该光束的传播速度为c
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解析　因为人是垂直于速度方向站立的，身高方向上没有发生长度收缩效应，即甲、乙观察到对方的身高都不变，故A、B错误；根据相对论的时间延缓效应，可知乙观察到甲动作变慢，故C错误；根据爱因斯坦光速不变原理知，乙观察到该光束的传播速度仍为c，故D正确。
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11.离开地面6 km高空存在某μ子源，产生的μ子以0.99c(c为真空中光速)飞向地面。已知μ子的静止寿命为3.0×10-6 s。地面能收到该源的μ子，则(　　)
A.高速μ子的寿命大于3.0×10-6 s
B.高速μ子的寿命等于3.0×10-6 s
C.μ子参考系下观察到离地距离大于6 km
D.μ子参考系下观察到离地距离等于6 km
A
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12.航天员在地面上将两只钟校准到零时刻(如甲图所示)，其中一只留在地面上，另一只跟随航天员一起乘坐上高速运行的飞船。从零时刻开始计时，航天员根据随身携带的手表指示，经过了半个小时。航天员观察飞船内表的分针指示可能是________图，航天员观察地面上钟的分针指示可能为________图。
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答案　乙　丙
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解析　从零时刻开始计时，航天员根据随身携带的手表指示，经过了半个小时，航天员观察飞船内钟的分针指示可能为乙图。根据爱因斯坦的相对论中时间间隔的相对性公式得运动的时钟会变慢，所以航天员观察地面上钟的分针指示可能为小于半个小时，即丙图。
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13.“世界物理年”决议的作出与爱因斯坦的相对论时空观有关。根据爱因斯坦的理论，一把米尺，在它与观察者有不同相对速度(沿尺长方向)的情况下，米尺长度是不同的，它们之间的关系如图所示。由此可知，当米尺和观察者的相对速度达到0.8c(c为光速)时，米尺的长度大约为________m。在日常生活中，我们无法观察到米尺长度变化的现象，是因为观察者相对于米尺的运动速度________。
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答案　0.6　远小于光速
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解析　由题图可以看出，当米尺和观察者的相对速度达到0.8c时，米尺的长度大约为0.6 m。在日常生活中，我们无法观察到米尺长度变化的现象，是因为观察者相对于米尺的运动速度远小于光速。
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[拓展培优练]
A
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14.如图所示，甲站在水平木杆AB的中央O点附近，并且看到木杆落在地面上时是两端同时着地的；若此时乙站在向右运动的火车中以接近光速的速度从木杆前面掠过，则(　　)
A.乙看到木杆的B端比A端先落地
B.乙看到木杆的A端比B端先落地
C.乙看到木杆的两端同时落地
D.乙看到的木杆长度比甲看到的木杆长度更长
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解析　当乙掠过木杆时，在乙看来，木杆不仅在下落，而且木杆的B端还在朝乙运动，因此，在甲看来同时发生的两个事件，在乙看来首先在B端发生，故乙看到木杆的B端比A端先落地，故A正确，B、C错误；根据尺缩效应可知，乙看到的木杆长度比甲看到的木杆长度更短，故D错误。
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