資源簡介

7.5 相對論時空觀與牛頓力學的局限性
學習目標
1、理解狹義相對論的兩個基本假設。
2、知道時間延緩效應和長度縮短效應。
3、認識經典力學的局限性和適用范圍。
重點難點
1、狹義相對論的兩個基本假設（重點）
2、了解時間延緩效應和長度收縮效應（重點）
3、經典力學與相對論力學、量子力學的理解（難點）
自主探究
1、相對論時空觀
1、在不同的參考系中，光的傳播速度都是________。
2、相對論的兩個基本假設：在不同的_______________中，物理規律的形式都是相同的；真空中的____________在不同的慣性參考系中大小都是相同的。
3、時間延緩效應：如果相對于地面以v運動的慣性參考系上的人觀察到與其一起運動的物體完成某個動作的時間間隔為△τ，地面上的人觀察到該物體在同一地點完成這個動作的時間間隔為△t,那么兩者之間的關系是:
由于，所以總有，此種情況稱為________________。
4、長度收縮效應：如果與桿相對靜止的人測得桿長是，沿著桿的方向，以v相對桿運動的人測得桿長是l，那么兩者之間的關系是：
由于，所以總有，此種情況稱為_________________。
2、牛頓力學的成就與局限性
經典力學的巨大成就：
（1）從地面上物體的運動到天體的運動。
（2）從大氣的流動到地殼的變動。
（3）從攔河筑壩、修建橋梁到設計各種機械。
（4）從自行車到汽車、火車、飛機等現代交通工具的運動。
（5）從投出籃球到發射導彈、人造衛星、宇宙飛船……
探究思考
1、時間延緩效應和長度收縮效應
（1）時間延緩效應：假設一列火車沿平直軌道飛快地勻速行駛。車廂中央的光源發出了一個閃光，閃光照到了車廂的前壁和后壁。車上的觀察者以車廂為參考系，因為車廂是個慣性系，光向前、后傳播的速率相同，光源又在車廂的中央，閃光當然會同時到達前后兩壁(圖甲)。
對于車下的觀察者來說，他以地面為參考系，因閃光向前、后傳播的速率對地面也是相同的，在閃光飛向兩壁的過程中，車廂向前行進了一段距離，所以向前的光傳播的路程長些。他觀測到的結果應該是:閃光先到達后壁，后到達前壁(圖乙)。因此，這兩個事件不是同時發生的。
（2）長度收縮效應：與桿相對運動的人觀察到的桿長l總小于與桿相對于靜止的人觀察到的桿長。一條沿自身長度方向運動的桿，其長度總比桿靜止時的長度小。嚴格的數學推導還表明，在垂直于運動方向上，桿的長度沒有變化。
這種長度的變短是相對的。如果兩條平行的、相同的桿在沿自己的長度方向做相對運動，與它們一起運動的兩位觀察者都會認為對方的桿比自己的桿短一些。
【典例一】1、、兩架飛機沿地面上一足球場的長軸方向在其上空高速飛過,且,兩架飛機速度均接近光速,關于在飛機上的人觀察結果,下列說法正確的是( )
A. 飛機上的人觀察到足球場的長度比飛機上的人觀察到的大
B. 飛機上的人觀察到足球場的長度比飛機上的人觀察到的小
C.兩飛機上的人觀察到足球場的長度相同
D.兩飛機上的人觀察到足球場的寬度相同
解題思路：由 (其中是足球場長軸的長度),可以看出,速度越大,長度越短,選項B正確,AC錯誤; 足球場的短軸與飛機速度方向垂直,所以兩飛機上的人觀察到足球場的寬度相同,D正確。
答案：BD
2、經典力學與相對論、量子力學的理解
1、牛頓運動定律的適用范圍
宏觀：能用通常方法測量與觀察的物體。
低速：遠小于光速的速度
弱引力:物體的半徑遠小于引力半徑時物體之間存在的作用力。
2、高速、低速
低速:遠小于光速的速度為低速，通常所見的物體的運動，如行駛的汽車、發射的導彈、人造地球衛星及宇宙飛船等物體的運動皆為低速運動。
高速:有些微觀粒子在一定條件下其速度可以與光速相接近，這樣的速度稱為高速。
3、基于實驗檢驗的牛頓力學不會被新的科學成就所否定，而是作為某些條件下的特殊情形，被包括在新的科學成就之中。當物體的運動速度遠小于光速c時（c=3×m/s），相對論物理學與牛頓力學的結論沒有區別；當另一個重要常數即普朗克常量h可以忽略不計時（h=6.63×J·s），量子力學和牛頓力學的結論沒有區別。
【典例二】2、關于經典力學,下列說法正確的是( )
A.經典力學完全適用于宏觀、低速運動
B.經典力學取得了巨大成就,是普遍適用的
C.隨著物理學的發展,經典力學將逐漸成為過時的理論
D.由于相對論、量子力學的提出,經典力學已經失去了它的應用價值
解題思路：經典力學完全適用于宏觀、低速運動的物體,宏觀物體是相對于微觀粒子而言的,故A正確;經典力學取得了巨大的成就,但它也具有一定的局限性,并不是普遍適用的,故B錯誤;在微觀高速情況下,要用量子力學和相對論來解釋,但是并不會因為相對論和量子力學的出現,就否定了經典力學,經典力學仍然是正確的,不會過時,也不會失去價值,故C、D錯誤。
答案：A
隨堂訓練
1、物理學的發展豐富了人類對物質世界的認識,推動了科學技術的創新和革命,促進了物質生產的繁榮與人類文明的進步。下列表述正確的是( )
A.牛頓發現了萬有引力定律
B.牛頓通過實驗證實了萬有引力定律
C.相對論的創立表明經典力學已不再適用
D.愛因斯坦建立了狹義相對論,把物理學推廣到高速領域
答案：AD
2、經典力學的建立( )
A.標志著近代自然科學的誕生
B.實現了人類對自然界認識的第一次理論大綜合
C.確立了一切自然科學理論應有的基本特征
D.成為量子力學的基礎
答案：ABC
3、下列說法中正確的是( )
A.在經典力學中,物體的質量不隨運動狀態而改變,在狹義相對論中,物體的質量也不隨運動狀態而改變
B.在經典力學中,物體的質量隨運動速度的增加而減小,在狹義相對論中,物體的質量隨物體速度的增大而增大
C.在經典力學中,物體的質量是不變的,在狹義相對論中,物體的質量隨物體的速度的增大而增大
D.上述說法都是錯誤的
答案：C
4、愛因斯坦相對論的提出是物理學領域的一場重大革命,主要是因為( )
A.否定了經典力學的絕對時空觀
B.揭示了時間、空間并非絕對不變的本質屬性
C.打破了經典力學體系的局限性
D.使人類對客觀世界的認識開始從宏觀世界深入到微觀世界
答案：BC
5、下列有關長度的相對性理解正確的是( )
A.經典物理學家認為物體的長度與物體是否相對觀察者運動無關
B.當一直桿沿自身方向運動時長度變小
C.無論直桿沿什么方向運動,直桿的長度均不變
D.當兩平行的直桿沿自身方向做相對運動時,則與兩直桿共同運動的兩觀察者認為對方的直桿的長度沒變
答案：AB
6、在地面附近有一高速飛過的火箭.關于地面上的人和火箭中的人觀察到的現象中正確的是( )
A.地面上的人觀察到火箭變短了,火箭上的時間進程變快了
B.地面上的人觀察到火箭變短了,火箭上的時間進程變慢了
C.火箭上的人觀察到火箭的長度和時間進程均無變化
D.火箭上的人看到地面物體長度變小,時間進程變慢了
答案：BCD
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