第5节 相对论时空观与牛顿力学的局限性
学习目标
核心素养形成脉络
1.了解经典力学的发展历程和伟大成就．
2．认识经典力学的局限性和适用范围．
3．初步了解微观和高速世界中的奇妙现象．
4．了解相对论、量子力学和经典力学的关系.
一、相对论时空观
1．19世纪，英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了电磁波的存在，并证明电磁波的传播速度等于光速c．
2．1887 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，光的传播速度都是一样的．
3．爱因斯坦假设：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的．
4．时间延缓效应：完成同一动作，在惯性参考系上的时间间隔Δτ和在地面上的人的时间间隔Δt之间的关系是Δt＝.
由于1－<1，所以总有Δt>Δτ，此种情况称为时间延缓效应．
5．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＝l0.
由于1－<1，所以总有l6．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)都跟物体的运动状态有关．
二、牛顿力学的成就与局限性
1．电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明，而量子力学能够正确地描述微观粒子的运动规律．
2．经典力学的适用范围：只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界．
思维辨析
(1)洲际导弹的速度有时可达到6 000 m/s，此速度在相对论中属于高速．( )
(2)时间间隔和长度在任何时候都不会变．( )
(3)对于高速运动的物体，它的长度随着速度的增大而减小．( )
(4)对于宏观物体的低速运动问题，相对论、量子力学与经典力学是一致的．( )
提示：(1)× (2)× (3)√ (4)√
对相对论时空观的理解
【核心深化】
1．低速与高速
(1)低速：通常所见物体的运动，如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体皆为低速运动物体．
(2)高速：有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近，这样的速度称为高速．
对于低速运动问题，一般用经典力学规律来处理．对于高速运动问题，经典力学已不再适用，需要用相对论知识来处理．
2．狭义相对论有两个显著的效应
经典力学认为位移和时间的测量与参考系无关，相对论认为，同一过程的位移和时间的测量与参考系有关，在不同的参考系中测量结果不同．
狭义相对论有两个显著的效应，即钟慢和尺缩．可以通俗地理解为：运动的钟比静止的钟走得慢，而且运动速度越快，钟走得越慢，接近光速时，钟就几乎停止了； 在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短，这就是所谓的尺缩效应，当速度接近光速时，尺子缩成一个点．
两个惯性系S和S′，沿x(x′)轴方向做匀速相对运动．设S′在系中某点先后发生两个事件，用静止于该系的钟测出两事件的时间间隔为τ0, 而用固定在S系的钟测出这两个事件的时间间隔为τ.又在S′系x′轴上放置一静止于该系长度为l0的细杆，从S系测得此杆的长度为l，则判断τ与τ0，l与l0的大小关系．
[解析] 牛顿力学认为，无论静止还是运动，一只钟“滴答”一次的时间间隔、一把尺的长度(即空间间隔)以及一个物体的质量，总是不变的；而在爱因斯坦的相对论中，与静止时相比，运动的钟变慢、运动的尺缩短、运动物体的质量变大．因此说，时间和空间这两个基本的物理量，在牛顿力学中都是“绝对的”，但是在相对论中则都是“相对的”．
[答案] τ<τ0 l (2019·四川绵阳期末)关于经典力学，下列说法中正确的是( )
A．相对论与量子力学否定了经典力学理论
B．经典力学可以解决自然界中所有的问题
C．经典力学适用于微观领域质子、电子的运动
D．经典力学适用于发射的导弹、人造卫星、宇宙飞船的运动
解析：选D.相对论与量子力学并没有否定经典力学，而是在其基础上发展起来的，有各自成立范围，A错误；经典力学只能解决宏观低速物体的问题，对于微观或高速的物体不再适用，B、C错误； 经典力学适用于宏观低速物体，适用于发射的导弹、人造卫星、宇宙飞船的运动，D正确．
1．(2019·重庆万州期中)经典力学不能适用于下列哪些运动( )
A．火箭的发射
B．宇宙飞船绕地球的运动
C．宇宙探测器在太空的运动
D．电子的波动性
解析：选D.经典力学只适用于宏观低速物体，而不适用于微观高速粒子的运动，则经典力学不适用于电子的波动性，故选D.
2．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．c
解析：选D.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．
3．一高速列车通过洞口为圆形的隧道，列车上的司机对隧道的观察结果为( )
A．洞口为椭圆形，长度变短
B．洞口为圆形、长度不变
C．洞口为椭圆形、长度不变
D．洞口为圆形，长度变短
解析：选D.根据尺缩效应，在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短．所以高速列车通过洞口为圆形的隧道时，列车上的司机仍然会观察到圆形的洞口，但是观察到的隧道的长度变短，故选D.
4．一枚静止时长30 m的火箭以0.6c的速度从观察者的身边掠过，则火箭上的人测得火箭的长度为多少？观察者测得火箭的长度为多少？
解析：一枚静止时长30 m的火箭以0.6c的速度从观察者的身边掠过，根据狭义相对论得火箭上的人测得火箭的长度为30 m.
根据长度的相对性L＝L0得观察者测得火箭的长度为L＝24 m.
答案：30 m 24 m
课件19张PPT。第5节 相对论时空观与牛顿力学的局限性 第七章 万有引力与宇宙航行第七章 万有引力与宇宙航行电磁波光速c一样相同相同运动状态粒子性量子力学低速高速宏观微观本部分内容讲解结束按ESC键退出全屏播放
