§5相對論時空觀與牛頓力學的局限性高一物理（人教版2019）必修第二冊第七章

萬有引力與宇宙航行思考與討論：新課引入

設想人類可以利用飛船以0.2c的速度進行星際航行。若飛船向正前方的某一星球發射一束激光，該星球上的觀察者測量到的激光的速度是多少？自然和自然的法則在黑暗中隱藏；上帝說，讓牛頓去吧！于是一切都被照亮。魔鬼說，讓愛因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。物理學人物：牛頓愛因斯坦新課引入1.空間和時間都獨立于物體及其運動而存在。2.時間和空間是兩個獨立的觀念,彼此間沒有聯系。3.通俗地說就是時間、長度和質量這三者都與參考系的選取無關。絕對時空觀：新課引入1.牛頓力學與電磁波理論遇到了怎樣的矛盾和沖突一、相對論時空觀新課講授麥克斯韋

英國物理學家麥克斯韋根據電磁場理論預言了電磁波的存在，并證明電磁波的傳播速度等于光速。1.牛頓力學與電磁波理論遇到了怎樣的矛盾和沖突一、相對論時空觀新課講授邁克耳孫

1887年邁克耳孫——莫雷實驗表明：在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的。1.牛頓力學與電磁波理論遇到了怎樣的矛盾和沖突一、相對論時空觀按照絕對時空觀,光的傳播速度與參考系的選取有關,而實驗測得光的傳播速度與參考系的選取無關,二者有矛盾.2.愛因斯坦的假設(1)在不同的慣性參考系中,物理規律的形式都是相同的;(2)真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的。新課講授一、相對論時空觀新課講授思考與討論：

如果你接受了愛因斯坦的兩個假設，假設一列火車沿平直軌道飛快的地勻速行駛，車廂中央的光源發出了一個閃光，那么在車上的人和在車下的人，看到閃光照到車廂前壁和后壁這兩個時間是否都是同時發生的呢？一、相對論時空觀新課講授3.時間的延緩效應一、相對論時空觀新課講授

如果相當于地面以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Δτ，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Δt，則

。由于1-(

)2<1，所以總有Δt>Δτ，此種情況稱為時間延緩效應。一、相對論時空觀新課講授思考與討論：

如果與桿相對靜止的人測得桿長是l0，沿著桿的方向，以v相對桿運動的人測得桿長是l，那么兩者之間存在怎樣的關系？一、相對論時空觀新課講授4.長度收縮效應一、相對論時空觀（1）長度收縮效應: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變小。（2）長度變換公式:新課講授1.牛頓力學的成就：

牛頓力學的基礎是牛頓運動定律,萬有引力定律的建立與應用更是確定了人們對牛頓力學的尊敬.在宏觀物體做低速運動的廣闊領域,牛頓力學與實際相符合,顯示了牛頓運動定律的正確性和牛頓力學的魅力.二、牛頓力學的成就與局限性2.牛頓力學的局限性:(1)微觀世界:電子、質子、中子等微觀粒子,發現它們不僅具有粒子性,同時還具有波動性,它們的運動規律在很多情況下不能用牛頓力學來說明。(2)牛頓力學只適用于低速運動,不適用于高速運動。新課講授3.相對論和量子力學與牛頓力學的關系：

當物體的運動速度遠小于光速c時,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,量子力學和牛頓力學的結論沒有區別.相對論和量子力學都沒有否定牛頓力學,只是認為牛頓力學是在一定條件下的特殊情形.二、牛頓力學的成就與局限性新課講授1．美國科學家于2016年2月11日宣布，他們探測到引力波的存在。引力波是實驗驗證愛因斯坦相對論的最后一塊缺失的“拼圖”。相對論在一定范圍內彌補了牛頓力學的局限性。關于牛頓力學，下列說法正確的是（）A．牛頓力學完全適用于物體的運動B．牛頓力學取得了巨大成就，在宏觀物體低速運動中是普遍適用的C．隨著物理學的發展，牛頓力學將逐漸成為過時的理論D．由于相對論的提出，牛頓力學已經失去了它的應用價值B課堂練習【答案】B【詳解】AB．牛頓力學適用于低速運動、宏觀物體，A錯誤，B正確；C．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，C錯誤；D．雖然相對論、量子論的提出，但經典力學仍是有一定的價值。對于低速、宏觀的物體經典力學仍然適用，D錯誤。故選B。課堂練習2．有兩個慣性參考系1和2，相向做勻速直線運動，下列敘述正確的是（）A．在參考系1看來，2中的所有物理過程都變快了；在參考系2看來，1中的所有物理過程都變慢了B．在參考系1看來，2中的所有物理過程都變快了；在參考系2看來，1中的所有物理過程也變快了C．在參考系1看來，2中的所有物理過程都變慢了；在參考系2看來，1中的所有物理過程都變快了D．在參考系1看來，2中的所有物理過程都變慢了；在參考系2看來，1中的所有物理過程也變慢了D課堂練習【答案】D【詳解】時間延緩效應與相對運動的方向無關，靜止參考系的時間是固有時間，v為相對運動速度，Δt為觀察的參考系中經歷的時間，Δτ為被觀察的參考系中所經歷的時間，也即固有時間。根據時間延緩效應公式可知，在相對某參考系運動的參考系看來，原參考系中的時間變長了，運動就變慢了。課堂練習3．如圖所示，沿平直鐵路線有間距相等的三座鐵塔A、B和C。假想有一列車沿AC方向以接近光速行駛，當鐵塔B發出一個閃光，列車上的觀測者測得A、C兩鐵塔被照亮的順序是（）A．同時被照亮 B．A先被照亮 C．C先被照亮 D．無法判斷C課堂練習【答案】C【詳解】列車上的觀察者看到的是由B出發后經過A和C反射的光，由于列車在這段時間內向C運動靠近C，而遠離A，所以C的反射光先到達列車上的觀察者，看到C先被照亮。故選C。課堂練習4．關于牛頓力學理論，下列說法正確的是（

）A．牛頓力學是物理學和天文學的基礎，也是現代工程技術的理論基礎B．牛頓力學的理論體系是經過幾代科學家長期的探索，歷經曲折才建立起來的C．牛頓力學具有豐富的理論成果，也建立了驗證科學的方法體系D．當物體運動速度很大（v→c）時，牛頓力學理論所得的結果與實驗結果相符合ABC課堂練習【答案】ABC【詳解】A．牛頓力學是物理學和天文學的基礎，也是現代工程技