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(共35張PPT)
第七章　萬(wàn)有引力與宇宙航行
5.相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性
目標(biāo)導(dǎo)航：1.知道愛(ài)因斯坦的兩個(gè)假設(shè)，知道時(shí)間延緩效應(yīng)和長(zhǎng)度收縮效應(yīng).（物理 觀念） 2.知道牛頓力學(xué)只適用于低速、宏觀物體的運(yùn)動(dòng).（物理觀念） 3.通過(guò)課內(nèi)與 課外閱讀，知道相對(duì)論、量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系，體會(huì)人類對(duì)自然界的探索是不 斷深入的.（科學(xué)態(tài)度與責(zé)任）
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研習(xí)任務(wù)一
情境　導(dǎo)學(xué)
如圖，高速運(yùn)行的列車車廂，車頂上有一個(gè)反光鏡，列車上一個(gè)人對(duì)著反光鏡發(fā) 射一束光.
列車上的人和地面上的人觀察到的光的往返時(shí)間是否相同？
提示：不同.
知識(shí)　梳理
1. 愛(ài)因斯坦假設(shè)
（1）在不同的 參考系中，物理規(guī)律的形式都是 的.
（2）真空中的 在不同的慣性參考系中大小都是 的.
2. 時(shí)間延緩效應(yīng)
慣性　
相同　
光速　
相同　
慣性參考系　
＞　
3. 長(zhǎng)度收縮效應(yīng)
靜止　
＜　
研習(xí)　經(jīng)典
角度1　時(shí)間延緩效應(yīng)
[典例1]如圖所示，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vB和vC朝同一方向飛行的兩枚火箭上，且vB＜vC. 地面上的觀察者認(rèn)為哪個(gè)時(shí)鐘走
得最慢？哪個(gè)時(shí)鐘走得最快？
[答案]　C時(shí)鐘走得最慢　A時(shí)鐘走得最快
A. 這個(gè)人是一個(gè)矮胖子
B. 這個(gè)人是一個(gè)瘦高個(gè)子
C. 這個(gè)人矮但不胖
D. 這個(gè)人瘦但不高
[解析]　取路旁的人為慣性參考系，車上的人相對(duì)于路旁的人高速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)長(zhǎng)度收 縮效應(yīng)，人在運(yùn)動(dòng)方向上將變窄，但在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上沒(méi)有發(fā)生變化，故D正確.
D
相對(duì)于地面以速度v運(yùn)動(dòng)的物體，從地面上看：
（1）沿著運(yùn)動(dòng)方向上的長(zhǎng)度變短了，速度越大，變短得越多.
（2）在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上不產(chǎn)生長(zhǎng)度收縮效應(yīng).
A. 8.76×104 h
B. 6.26×104 h
C. 12.27×104 h
D. 16.52×104 h
B
第*頁(yè)
研習(xí)任務(wù)二
情境　導(dǎo)學(xué)
粒子對(duì)撞機(jī)可以把質(zhì)子加速到接近于光速，如圖所示.經(jīng)典力學(xué)是否適用于質(zhì)子 的運(yùn)動(dòng)規(guī)律？如何研究質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律？
提示：不適用.經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀低速運(yùn)動(dòng)，描述微觀粒子高速運(yùn)動(dòng)要用到 量子力學(xué).
知識(shí)　梳理
1. 牛頓力學(xué)的成就
從地面上物體的運(yùn)動(dòng)到天體的運(yùn)動(dòng)，從攔河筑壩、修建橋梁到設(shè)計(jì)各種機(jī)械，從自行 車到汽車、火車、飛機(jī)等現(xiàn)代交通工具的運(yùn)動(dòng)，從投出籃球到發(fā)射導(dǎo)彈、人造地球衛(wèi) 星、宇宙飛船……所有這些都服從 的規(guī)律.
2. 牛頓力學(xué)的局限性
（1）牛頓力學(xué)不適用于 運(yùn)動(dòng).
牛頓力學(xué)　
高速　
牛
頓力學(xué)　
3. 牛頓力學(xué)的適用范圍
只適用于 運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)；只適用于宏觀世界，不適用于 世界.
低速　
微觀　
研習(xí)　經(jīng)典
A. 經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)在宏觀和微觀領(lǐng)域都是適用的
B. 經(jīng)典力學(xué)適用于低速運(yùn)動(dòng)的物體，相對(duì)論對(duì)高速和低速運(yùn)動(dòng)的物體都適用
C. 經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)，量子力學(xué)適用于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)
D. 相對(duì)論與量子力學(xué)否定了經(jīng)典力學(xué)理論
[解析]　經(jīng)典力學(xué)理論只適用于宏觀、低速運(yùn)動(dòng)的物體，相對(duì)論和量子力學(xué)在任何情 況下都適用，故A錯(cuò)誤，B、C正確；相對(duì)論和量子力學(xué)并不否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué) 是相對(duì)論、量子力學(xué)在一定條件下的特殊情形，故D錯(cuò)誤.
BC
　?。?）經(jīng)典力學(xué)適用范圍：宏觀物體的低速運(yùn)動(dòng).
（2）量子力學(xué)和相對(duì)論的適用范圍：任何情況都適用.
（3）經(jīng)典力學(xué)是相對(duì)論和量子力學(xué)的特殊情況，即宏觀物體的低速運(yùn)動(dòng)情況.
A. 研究原子中電子的運(yùn)動(dòng)
B. 研究“神舟十一號(hào)”飛船的高速發(fā)射
C. 研究地球繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)
D. 研究飛機(jī)從北京飛往紐約的航線
解析：牛頓力學(xué)屬于經(jīng)典力學(xué)的研究范疇，適用于宏觀、低速運(yùn)動(dòng)的物體，注意低速 和高速的標(biāo)準(zhǔn)是相對(duì)于光速而言的，可判定牛頓運(yùn)動(dòng)定律適用于B、C、D中描述的運(yùn) 動(dòng)，而A不適用.
A
知識(shí)　構(gòu)建
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課堂強(qiáng)研習(xí) 合作學(xué)習(xí) 精研重難
課后提素養(yǎng)
A. 0.4c B. 0.5c C. 0.9c D. c
解析：根據(jù)愛(ài)因斯坦相對(duì)論，在任何參考系中，光速不變，即光速不隨光源和觀察者 所在參考系的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而改變，所以壯壯觀測(cè)到該光束的傳播速度為c，所以A、B、 C錯(cuò)誤，D正確.
D
A. 子彈的飛行
B. 和諧號(hào)從深圳向廣州飛馳
C. 人造衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)
D. 粒子接近光速的運(yùn)動(dòng)
解析：子彈的飛行、火車的運(yùn)動(dòng)及人造衛(wèi)星繞地球的運(yùn)動(dòng)，都屬于宏觀、低速運(yùn)動(dòng)， 經(jīng)典力學(xué)能適用.而粒子接近光速的運(yùn)動(dòng)，經(jīng)典力學(xué)不適用，故選D.
D
A. a鐘最快，b、c鐘一樣慢
B. a鐘最慢，b、c鐘一樣快
C. a鐘最快，c鐘最慢
D. a鐘最慢，c鐘最快
C
A. 地面的觀察者看到車尾已上橋
B. 地面的觀察者看到車尾未上橋
C. 列車內(nèi)的觀察者看到車尾已上橋
D. 列車內(nèi)的觀察者看到車尾未上橋
解析：根據(jù)相對(duì)論，地面上的觀察者看到的高速運(yùn)動(dòng)的列車比靜止時(shí)更短，也就是比 靜止的橋短，所以地面觀察者看到車頭剛通過(guò)這座橋時(shí)，車尾已上橋，A正確，B錯(cuò) 誤；列車內(nèi)觀察者看到列車是靜止的，列車長(zhǎng)度不變，橋高速運(yùn)動(dòng)，橋變短了，所以 列車內(nèi)觀察者看到車頭剛通過(guò)這座橋時(shí)，車尾在橋外（未上橋），C錯(cuò)誤，故D正確.
AD
A. 牛頓力學(xué)適用于宏觀、低速（遠(yuǎn)小于光速）運(yùn)動(dòng)的物體
B. 牛頓力學(xué)適用于微觀、高速（接近光速）運(yùn)動(dòng)的粒子
C. 相對(duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，表明牛頓力學(xué)已被完全否定了
D. 牛頓力學(xué)在理論和實(shí)踐上取得了巨大的成功，從地面到天體的運(yùn)動(dòng)都服從牛頓力 學(xué)的規(guī)律，因此任何情況下都適用
解析：牛頓力學(xué)只適用宏觀、低速的物體，相對(duì)論和量子力學(xué)并沒(méi)有否定牛頓力學(xué)， 而是認(rèn)為牛頓力學(xué)是二者在一定條件下的特殊情況.故A正確.
A
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課時(shí)作業(yè)（十四）　相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性
[基礎(chǔ)訓(xùn)練]
A. 自行車、汽車、火車、飛機(jī)等交通工具的運(yùn)動(dòng)
B. 發(fā)射導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船
C. 物體運(yùn)動(dòng)的速率接近于真空中的光速
D. 原子能量的不連續(xù)現(xiàn)象
解析：經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀、低速運(yùn)動(dòng)的范圍，故A、B正確，C錯(cuò)誤；原子能量的 不連續(xù)現(xiàn)象不能用經(jīng)典力學(xué)規(guī)律解釋，故D錯(cuò)誤.
AB
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8
A. 在不同慣性系中，物理規(guī)律可能是不同的
B. 在不同慣性系中，光在真空中任何方向的傳播速度均相同
C. 相對(duì)論時(shí)空觀認(rèn)為運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)
D. 相對(duì)論時(shí)空觀認(rèn)為物理過(guò)程的快慢與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)
解析：根據(jù)相對(duì)論的兩條假說(shuō)，在不同的慣性系中，物理規(guī)律的形式都是相同的，在 不同慣性系中，光在真空中任何方向的傳播速度都相等，故A錯(cuò)誤，B正確；根據(jù)相 對(duì)論時(shí)空觀可知C錯(cuò)誤，D正確.
BD
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A. 愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論認(rèn)為運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變快
B. 狹義相對(duì)論認(rèn)為一切物理規(guī)律對(duì)于所有慣性系都具有相同的形式
C. 在高速運(yùn)動(dòng)情況下，經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律仍然適用
D. 可以通過(guò)力學(xué)實(shí)驗(yàn)區(qū)分均勻引力場(chǎng)和一個(gè)做勻加速運(yùn)動(dòng)的參考系
解析：狹義相對(duì)論認(rèn)為運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢，故A錯(cuò)誤；狹義相對(duì)論認(rèn)為所有慣性系是等 價(jià)的，一切物理規(guī)律在慣性系中都具有相同的形式，故B正確；在高速運(yùn)動(dòng)情況下， 經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律不再適用，故C錯(cuò)誤；一個(gè)均勻引力場(chǎng)與一個(gè)做勻加速運(yùn)動(dòng)的參考系 等價(jià)，不能通過(guò)力學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)區(qū)分，故D錯(cuò)誤.
B
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5
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8
A. 大于100分鐘 B. 等于100分鐘
C. 小于100分鐘 D. 不能確定
A
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8
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
B
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A. 靜止的觀察者看到梭鏢收縮變短，因此在某個(gè)位置，管子能完全遮住梭鏢
B. 靜止的觀察者看到梭鏢變長(zhǎng)，因此在某個(gè)位置，梭鏢從管子的兩端伸出來(lái)
C. 靜止的觀察者看到兩者的收縮量相等，因此在某個(gè)位置，管子仍恰好遮住梭鏢
D. 相對(duì)梭鏢靜止的觀察者看到管子變短，在某個(gè)位置，梭鏢從管子的兩端伸出來(lái)
解析：根據(jù)狹義相對(duì)論的尺縮效應(yīng)，如果梭鏢相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng)，那么梭鏢收縮變 短，而管子長(zhǎng)度不變，因此在某個(gè)位置，管子能完全遮住梭鏢，選項(xiàng)A正確，B、C錯(cuò) 誤；管子相對(duì)梭鏢高速運(yùn)動(dòng)，由尺縮效應(yīng)可知相對(duì)梭鏢靜止的觀察者看到管子變短， 在某個(gè)位置，梭鏢從管子的兩端伸出來(lái)，選項(xiàng)D正確.
AD
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[能力提升]
7. 甲、乙兩人站在地面上時(shí)身高都是L0，甲、乙分別乘坐速度為0.6c和0.8c（c為光 速）的飛船同向運(yùn)動(dòng)，如圖所示.此時(shí)乙觀測(cè)到甲的身高L 　L0；若甲向乙揮 手，動(dòng)作時(shí)間為t0，乙觀測(cè)到甲動(dòng)作時(shí)間為t1，則t1 　t0.（均填“＞”“＝”或 “＜”）
解析：在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上觀測(cè)長(zhǎng)度不變，則有L＝L0；根據(jù)相對(duì)論的時(shí)間延緩效應(yīng) 可知，乙觀測(cè)到甲的動(dòng)作時(shí)間變長(zhǎng)，即t1＞t0.
＝
＞
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8. 研究高空宇宙射線時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一種不穩(wěn)定的粒子，稱為介子，質(zhì)量約為電子質(zhì)量 的273倍，它帶有一個(gè)電子電荷量的正電荷或負(fù)電荷，稱為π＋或π－.若參考系中π±介 子處于靜止，它們的平均壽命為τ＝2.56×10－8 s，設(shè)π±介子以0.9c的速率運(yùn)動(dòng)，電子 的質(zhì)量為9.1×10－31 kg，求：
（1）在實(shí)驗(yàn)室參考系中觀測(cè)到該粒子的平均壽命；
答案：5.87×10－8 s
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（2）在實(shí)驗(yàn)室參考系中觀測(cè)到該粒子運(yùn)動(dòng)的平均距離.
答案：15.849 m
解析：平均距離d＝vτ＝0.9×3×108×5.87×10－8 m＝15.849 m.
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