資源簡(jiǎn)介

7.5相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性
一學(xué)科核心素養(yǎng)
物理觀念：了解相對(duì)論-量子論的建立對(duì)人類深入認(rèn)識(shí)客觀世界的作用，知道物理學(xué)改變?nèi)藗兪澜缬^的作用。
科學(xué)思維：經(jīng)歷科學(xué)家建立相對(duì)論和量子論的思維探索過(guò)程，認(rèn)識(shí)科學(xué)思維的意義。
科學(xué)探究：通過(guò)閱讀課文體會(huì)一切科學(xué)都有自己的局限性，新的理論會(huì)不斷完善和補(bǔ)充舊的理論，人類對(duì)科學(xué)的認(rèn)識(shí)是無(wú)止境的。
科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過(guò)對(duì)牛頓力學(xué)適用范圍的討論，使學(xué)生知道物理中的結(jié)論和規(guī)律一般都有其適用范圍，認(rèn)識(shí)知識(shí)的變化性和無(wú)窮性，培養(yǎng)獻(xiàn)身于科學(xué)的時(shí)代精神。
二學(xué)習(xí)重難點(diǎn)
【重點(diǎn)】
相對(duì)論時(shí)空觀和牛頓力學(xué)時(shí)空觀的區(qū)別。
【難點(diǎn)】
時(shí)間延緩效應(yīng)和長(zhǎng)度收縮效應(yīng)的理解和應(yīng)用。
三課前預(yù)習(xí)
1．相對(duì)論時(shí)空觀
（1）19世紀(jì)，英國(guó)物理學(xué)家____根據(jù)電磁場(chǎng)理論預(yù)言了電磁波的存在，并證明電磁波的傳播速度____光速c。
（2）1887年的邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)以及其他一些實(shí)驗(yàn)表明：在不同的參考系中，光的傳播速度_____！這與牛頓力學(xué)中不同參考系之間的速度變換關(guān)系____（填“相符”或“不符”）。
（3）愛(ài)因斯坦假設(shè)：在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是____的；真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的。
（4）時(shí)間延緩效應(yīng)
a.如果相對(duì)于地面以v運(yùn)動(dòng)的慣性參考系上的人觀察到與其一起運(yùn)動(dòng)的物體完成某個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為Δτ，地面上的人觀察到該物體在同一地點(diǎn)完成這個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為Δt，那么兩者之間的關(guān)系是Δt=。
b.Δt與Δτ的關(guān)系總有Δt___Δτ（填“>”“<”或“=”），即物理過(guò)程的快慢（時(shí)間進(jìn)程）與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)__。（填“有關(guān)”或“無(wú)關(guān)”）
（5）長(zhǎng)度收縮效應(yīng)：
a.如果與桿相對(duì)靜止的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l0，沿著桿的方向，以v相對(duì)桿運(yùn)動(dòng)的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l，那么兩者之間的關(guān)系是l=l0。
b.l與l0的關(guān)系總有l(wèi)__l0（填“>”“<”或“=”），即運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度（空間距離）跟物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)_____。（填“無(wú)關(guān)”或“有關(guān)”）
2．判斷下列說(shuō)法是否正確。
（1）洲際導(dǎo)彈的速度有時(shí)可達(dá)到6 000 m/s，此速度在相對(duì)論中屬于高速。( )
（2）時(shí)間間隔和長(zhǎng)度在任何時(shí)候都不會(huì)變。( )
（3）對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的物體，它的長(zhǎng)度隨著速度的增大而減小。( )
（4）對(duì)于宏觀物體的低速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，相對(duì)論、量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)是一致的。( )
（5）牛頓力學(xué)適用于低速、宏觀物體。( )
（6）相對(duì)論時(shí)空觀否定了牛頓力學(xué)時(shí)空觀。( )
3．相對(duì)論時(shí)空觀
（1）19世紀(jì)，英國(guó)物理學(xué)家______根據(jù)電磁場(chǎng)理論預(yù)言了電磁波的存在，并證明電磁波的傳播速度______光速c；
（2）1887年的邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)以及其他一些實(shí)驗(yàn)表明：在不同的參考系中，光的傳播速度______！這與牛頓力學(xué)中不同參考系之間的速度變換關(guān)系______（填“相符”或“不符”）；
（3）愛(ài)因斯坦假設(shè)：在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是______的；真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的；
（4）時(shí)間延緩效應(yīng)
（a）如果相對(duì)于地面以v運(yùn)動(dòng)的慣性參考系上的人觀察到與其一起運(yùn)動(dòng)的物體完成某個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為Δτ，地面上的人觀察到該物體在同一地點(diǎn)完成這個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為Δt，那么兩者之間的關(guān)系是；
（b）Δt與Δτ的關(guān)系總有Δt>Δτ（填“>”“<”或“=”），即物理過(guò)程的快慢（時(shí)間進(jìn)程）與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)______；（填“有關(guān)”或“無(wú)關(guān)”）
（5）長(zhǎng)度收縮效應(yīng)：
（a）如果與桿相對(duì)靜止的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l0，沿著桿的方向，以v相對(duì)桿運(yùn)動(dòng)的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l，那么兩者之間的關(guān)系是；
（b）l與l0的關(guān)系總有l(wèi)”“<”或“=”），即運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度（空間距離）跟物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)______。（填“無(wú)關(guān)”或“有關(guān)”）
4．（1）按照狹義相對(duì)論的觀點(diǎn)，在太空中“迎著”光飛行的宇宙飛船上，觀察者測(cè)得的光速___________（選填“大于”、“等于”、“小于”，其中為真空中的光速）。
（2）由于狹義相對(duì)論效應(yīng)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星上的原子鐘會(huì)因?yàn)楦咚龠\(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致時(shí)間___________（選填“變慢”或“變快”），這些時(shí)鐘如果不加以校正的話，系統(tǒng)每天將累積很大的定位誤差，因此，這些衛(wèi)星的軟件需要計(jì)算和抵消相對(duì)論效應(yīng)，確保定位準(zhǔn)確。
5．牛頓力學(xué)適用于解決宏觀_________問(wèn)題（填“高速”或“低速”）。若在地面上和繞地球高速飛行的宇宙飛船中分別放置同樣的兩個(gè)時(shí)鐘，飛船飛行幾圈后返回地面，則地面上的鐘走得比飛船中的鐘_________（填“快”、“慢”或“一樣快”）。
6．“我和宇宙之間有必然的聯(lián)系嗎？
宇宙是否有盡頭？
時(shí)間是否有長(zhǎng)短？
過(guò)去的時(shí)間在哪里消失？
未來(lái)的時(shí)間又在何處停止？”
以上為某情景劇中的臺(tái)詞片段，嘗試基于必修第二冊(cè)第八章的內(nèi)容，任選其中一個(gè)問(wèn)題從物理學(xué)的角度進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。____________________
7．一艘太空飛船靜止時(shí)的長(zhǎng)度為30m，它以0.6c（c為光速）的速度沿長(zhǎng)度方向飛行越過(guò)地球。地球上的觀測(cè)者測(cè)得該飛船的長(zhǎng)度____________30m，飛船發(fā)來(lái)的光信號(hào)____________c。（均選填“大于”、“等于”、“小于”）
四自我檢測(cè)
1．宇宙空間存在一些離其他恒星較遠(yuǎn)的三星系統(tǒng)，其中有一種三星系統(tǒng)如圖所示，三顆質(zhì)量均為的星體位于等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)，三角形邊長(zhǎng)為。忽略其他星體對(duì)它們的引力作用，三星在同一平面內(nèi)繞三角形中心做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，引力常量為。下列說(shuō)法正確的是（　?。?br/>A．每顆星做圓周運(yùn)動(dòng)的線速度為
B．每顆星做圓周運(yùn)動(dòng)的加速度與三星的質(zhì)量無(wú)關(guān)
C．若距離和每顆星的質(zhì)量都變?yōu)樵瓉?lái)的2倍，則周期變?yōu)樵瓉?lái)的2倍
D．若距離和每顆星的質(zhì)量都變?yōu)樵瓉?lái)的2倍，則線速度變?yōu)樵瓉?lái)的2倍
2．A、B、C是三個(gè)完全相同的時(shí)鐘，A放在地面上，B、C分別放在以速度v1和v2朝同一方向飛行的兩個(gè)火箭上，地面上的觀察者認(rèn)為走得最快的時(shí)鐘是（　?。?br/>A．A時(shí)鐘 B．B時(shí)鐘
C．C時(shí)鐘 D．無(wú)法確定
3．關(guān)于牛頓力學(xué)，下列說(shuō)法正確的是（　?。?br/>A．牛頓力學(xué)無(wú)法解決微觀物體的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題
B．在不同的參考系中光的傳播速度都相同，這與牛頓力學(xué)規(guī)律相符
C．物體在以接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵從的規(guī)律是與牛頓力學(xué)相符的
D．牛頓力學(xué)既適用于宏觀、低速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，又能用于高速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題
4．“高分四號(hào)”衛(wèi)星是我國(guó)首顆地球同步軌道高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星，關(guān)于“高分四號(hào)”，下列說(shuō)法正確的是（　　）
A．“高分四號(hào)”衛(wèi)星距地球如果更近一些，分辨率更高，且仍能保持與地球自轉(zhuǎn)同步
B．“高分四號(hào)”衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的線速度小于地球的第一宇宙速度7.9 km/s
C．“高分四號(hào)”衛(wèi)星的向心加速度小于靜止在赤道上物體的向心加速度
D．“高分四號(hào)”衛(wèi)星所受到的向心力與其他同步衛(wèi)星所受到的向心力大小相等
5．下列說(shuō)法中正確的是（　?。?br/>A．牛頓力學(xué)適用于任何情況下的任何物體
B．相對(duì)論只適用于高速運(yùn)動(dòng)的物體
C．量子力學(xué)能夠很好地描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律
D．牛頓力學(xué)也適用于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)
6．我國(guó)正在進(jìn)行的探月工程是高新技術(shù)領(lǐng)域的一次重大科技活動(dòng)，在探月工程中飛行器成功變軌至關(guān)重要。如圖所示，假設(shè)月球半徑為R，月球表面的重力加速度為g0，飛行器在距月球表面高度為3R的圓形軌道Ⅰ上運(yùn)動(dòng)，到達(dá)軌道的A點(diǎn)點(diǎn)火變軌進(jìn)入橢圓軌道Ⅱ，到達(dá)軌道的近月點(diǎn)B再次點(diǎn)火進(jìn)入近月軌道Ⅲ繞月球做圓周運(yùn)動(dòng)，則（　?。?br/>A．飛行器在B點(diǎn)處點(diǎn)火后，動(dòng)能增加
B．飛行器在軌道Ⅲ上繞月球運(yùn)行一周所需的時(shí)間為
C．只有萬(wàn)有引力作用情況下，飛行器在軌道Ⅱ上通過(guò)B點(diǎn)的加速度大于在軌道Ⅲ上通過(guò)B點(diǎn)的加速度
D．由已知條件不能求出飛行器在軌道Ⅱ上的運(yùn)行周期
7．如果航天員以接近于光速的速度朝某一星體飛行，如圖所示。下列說(shuō)法正確的是（　?。?br/>A．航天員根據(jù)自己的質(zhì)量在增加發(fā)覺(jué)自己在運(yùn)動(dòng)
B．航天員根據(jù)自己的心臟跳動(dòng)在慢下來(lái)發(fā)覺(jué)自己在運(yùn)動(dòng)
C．航天員根據(jù)自己在變小發(fā)覺(jué)自己在運(yùn)動(dòng)
D．航天員永遠(yuǎn)不能由自身的變化知道自己的速度
8．2021年2月，“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器成功被火星捕獲，成為我國(guó)第一顆人造火星衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)“繞、著、巡”目標(biāo)的第一步。如圖，為“天問(wèn)一號(hào)”被火星捕獲的簡(jiǎn)易圖，其中1為橢圓軌道，2為圓軌道。則下列說(shuō)法正確的是（　?。?br/>A．“天問(wèn)一號(hào)”在軌道2運(yùn)行的周期大于在軌道1運(yùn)行的周期
B．“天問(wèn)一號(hào)”沿軌道1運(yùn)行時(shí)在P點(diǎn)的加速度小于在Q點(diǎn)的加速度
C．“天問(wèn)一號(hào)”由軌道1進(jìn)入軌道2，在Q點(diǎn)的噴氣方向與速度方向相反
D．“天問(wèn)一號(hào)”在軌道1由Q點(diǎn)向P點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，機(jī)械能逐漸增大
9．下列說(shuō)法中正確的是（　?。?br/>A．在高速運(yùn)動(dòng)的火車車廂中央，光源同時(shí)向車廂前后兩壁發(fā)出了一個(gè)閃光，地面上的人看到閃光同時(shí)到車廂的前后壁
B．在任何慣性參考系中，物體的運(yùn)動(dòng)速度都不能超過(guò)光速
C．一條沿自身長(zhǎng)度方向高速運(yùn)動(dòng)的桿，其長(zhǎng)度總比桿靜止時(shí)的長(zhǎng)度大
D．同樣的兩個(gè)事件，在不同的參考系中觀測(cè)，時(shí)間間隔都相同
10．關(guān)于經(jīng)典力學(xué)的適用范圍和局限性，下列說(shuō)法正確的是（　?。?br/>A．經(jīng)典力學(xué)過(guò)時(shí)了，應(yīng)該被相對(duì)論和量子力學(xué)所取代
B．由于超音速飛機(jī)的速度太大，其運(yùn)動(dòng)不能用經(jīng)典力學(xué)來(lái)解釋
C．人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)不適合用經(jīng)典力學(xué)來(lái)描述
D．當(dāng)物體速度接近光速時(shí)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律不適合用經(jīng)典力學(xué)來(lái)描述
參考答案：
三課前預(yù)習(xí)
11． 麥克斯韋 等于 都是一樣的 不符 相同 > 有關(guān) ＜ 有關(guān)
12． 錯(cuò) 錯(cuò) 對(duì) 對(duì) 對(duì) 錯(cuò)
13． 麥克斯韋 等于 都是一樣的 不符 相同 有關(guān) 有關(guān)
14． 等于 變慢
15． 低速 快
16．略
17． 小于 等于
四自我檢測(cè)
1．C
【詳解】A．任意兩顆星之間的萬(wàn)有引力為
F＝G
每一顆星受到的合力為
由幾何關(guān)系可知，它們的軌道半徑為
r＝L
合力提供它們的向心力
＝m
聯(lián)立解得
A錯(cuò)誤；
B．根據(jù)
解得
故加速度與它們的質(zhì)量有關(guān)，B錯(cuò)誤；
C．根據(jù)
解得
若距離和每顆星的質(zhì)量都變?yōu)樵瓉?lái)的2倍，則周期變?yōu)樵瓉?lái)的2倍， C正確；
D．根據(jù)
可知，若距離和每顆星的質(zhì)量都變?yōu)樵瓉?lái)的2倍，則線速度不變，D錯(cuò)誤。
故選C。
2．A
【詳解】根據(jù)狹義相對(duì)論可知，時(shí)間間隔具有相對(duì)性，滿足關(guān)系式
由于A相對(duì)觀察者靜止，而B(niǎo)、C均相對(duì)觀察者高速運(yùn)動(dòng)，所以地面上的觀察者認(rèn)為走得最快的時(shí)鐘是A，故選A。
3．A
【詳解】AD．牛頓力學(xué)的適用范圍是宏觀低速的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，對(duì)于微觀高速物體的運(yùn)動(dòng)無(wú)法解決，故A正確，D錯(cuò)誤；
B．在不同的參考系中光的傳播速度都相同，這與牛頓力學(xué)規(guī)律不相符，牛頓認(rèn)為同一物體取不同的參考系，物體的運(yùn)動(dòng)的是不同的，故B錯(cuò)誤；
C．物體在以接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵從的規(guī)律是與愛(ài)因斯坦相對(duì)論符合的，與牛頓定律不符，故C錯(cuò)誤；
故選A。
4．B
【詳解】A．所有同步衛(wèi)星都具有相同的周期、相同的離地高度和相同的速率，“高分四號(hào)”衛(wèi)星距地球更近一些，不能保持與地球自轉(zhuǎn)同步，故A錯(cuò)誤；
B．根據(jù)萬(wàn)有引力提供向心力有
第一宇宙速度對(duì)應(yīng)的軌道半徑為地球的半徑，“高分四號(hào)”衛(wèi)星的軌道半徑比地球半徑大，所以其繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的線速度小于第一宇宙速度7.9 km/s，故B正確；
C．根據(jù)向心加速度
a=
“高分四號(hào)”衛(wèi)星與靜止在赤道上的物體具有相同的周期，所以“高分四號(hào)”衛(wèi)星的向心加速度大于靜止在赤道上物體的向心加速度，故C錯(cuò)誤；
D．由于“高分四號(hào)”衛(wèi)星與其他同步衛(wèi)星的質(zhì)量有可能不同，地球?qū)λ鼈兊囊Γǔ洚?dāng)向心力）大小也可能不同，向心力大小不能判斷，故D錯(cuò)誤。
故選B。
5．C
【詳解】A．牛頓力學(xué)只適用于宏觀、低速的情況，故A錯(cuò)誤；
B．相對(duì)論既適用于高速運(yùn)動(dòng)的物體，又適用于低速運(yùn)動(dòng)的物體，故B錯(cuò)誤；
C．量子力學(xué)能夠很好地描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，故C正確；
D．牛頓力學(xué)只適用于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)，而對(duì)于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)是不適用的，故D錯(cuò)誤。
故選C。
6．B
【詳解】A．在橢圓軌道近月點(diǎn)變軌成為圓軌道，要實(shí)現(xiàn)變軌應(yīng)給飛行器點(diǎn)火減速，減小所需的向心力，故點(diǎn)火后動(dòng)能減小，A錯(cuò)誤；
BD．設(shè)飛行器在近月軌道Ⅲ繞月球運(yùn)行一周所需的時(shí)間為T3，則
解得
根據(jù)幾何關(guān)系可知，軌道Ⅱ的半長(zhǎng)軸a＝2.5R。根據(jù)開(kāi)普勒第三定律＝k以及飛行器在軌道Ⅲ上的運(yùn)行周期，可求出飛行器在軌道Ⅱ上的運(yùn)行周期，B正確D錯(cuò)誤；
C．只有萬(wàn)有引力作用情況下，飛行器在軌道Ⅱ上通過(guò)B點(diǎn)的加速度與在軌道Ⅲ上通過(guò)B點(diǎn)的加速度相等，故C錯(cuò)誤。
故選B。
7．D
【詳解】根據(jù)狹義相對(duì)論知識(shí)可知，航天員以飛船為慣性系，其相對(duì)于慣性系的速度始終為零，因此他不可發(fā)現(xiàn)自身變化，也不能由自身變化知道他的速度。
故選D。
8．B
【詳解】A．由開(kāi)普勒第三定律
＝
可知，由于軌道1的半長(zhǎng)軸大于軌道2的半徑，所以“天問(wèn)一號(hào)”在軌道2運(yùn)行的周期小于在軌道1運(yùn)行的周期，A錯(cuò)誤；
B．由
G＝ma
得
a＝G
“天問(wèn)一號(hào)”在P點(diǎn)的加速度小于在Q點(diǎn)的加速度，B正確；
C．“天問(wèn)一號(hào)”由軌道1進(jìn)入軌道2，“天問(wèn)一號(hào)”做向心運(yùn)動(dòng)，因此在Q點(diǎn)制動(dòng)減速，則在Q點(diǎn)的噴氣方向應(yīng)與速度方向相同，C錯(cuò)誤；
D．“天問(wèn)一號(hào)”在軌道1由Q點(diǎn)向P點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，只有萬(wàn)有引力做功，“天問(wèn)一號(hào)”的機(jī)械能守恒，D錯(cuò)誤。
故選B。
9．B
【詳解】A．根據(jù)同時(shí)的相對(duì)性，火車上的人會(huì)看到兩個(gè)閃光同時(shí)到達(dá)車廂的前后壁，而地面上的人會(huì)看到閃光先到達(dá)車廂的后壁（相對(duì)火車運(yùn)動(dòng)方向而言），后到達(dá)前壁，A錯(cuò)誤；
B．根據(jù)愛(ài)因斯坦的相對(duì)論可知，在任何慣性參考系中，任何物體的運(yùn)動(dòng)速度都不能超過(guò)光速，B正確；
C．考慮相對(duì)論效應(yīng)，根據(jù)長(zhǎng)度與速度關(guān)系公式
沿自身長(zhǎng)度方向高速運(yùn)動(dòng)的桿長(zhǎng)度總比靜止時(shí)的長(zhǎng)度短，C錯(cuò)誤；
D．由相對(duì)論的基本公式
可知時(shí)間間隔與參考系有關(guān)，D錯(cuò)誤。
故選B。
10．D
【詳解】A．經(jīng)典力學(xué)不會(huì)過(guò)時(shí)，在低速宏觀物理過(guò)程中適用，不可替代，A錯(cuò)誤；
B．超音速飛機(jī)的速度遠(yuǎn)低于光速，其運(yùn)動(dòng)能用經(jīng)典力學(xué)來(lái)解釋，B錯(cuò)誤；
C．人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)低于光速，適合用經(jīng)典力學(xué)來(lái)描述，C錯(cuò)誤；
D．當(dāng)物體速度接近光速時(shí)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律不適合用經(jīng)典力學(xué)來(lái)描述，D正確。
故選D。
試卷第1頁(yè)，共3頁(yè)
試卷第1頁(yè)，共3頁(yè)

展開(kāi)更多......

收起↑