PAGE7-5．相對論時空觀與牛頓力學的局限性學習目標：1.[物理觀念]知道經典力學的概念及發展歷程。2.[物理觀念]知道經典力學的適用范圍和局限性。3.[科學思維](1)知道愛因斯坦狹義相對論的基本假設。(2)知道長度相對性和時間間隔相對性的表達式。會分析時間延緩效應和長度收縮效應問題。4.[科學看法與責任]了解宇宙起源的大爆炸理論，知道科學真理是相對的，未知世界必將在人類不懈地探究中被揭開更多的謎底。閱讀本節教材，回答第65頁“問題”并梳理必要學問點。教材第65頁“問題”提示：由邁克耳孫—莫雷試驗知，激光的速度為光速c。一、相對論時空觀1．愛因斯坦假設(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。eq\x([說明]愛因斯坦的兩個假設，特殊是在此假設基礎上得出的結論，經受住了試驗的檢驗。這對于現代物理學和人類的思想發展都具有很大的影響。)2．時間和空間的相對性(1)時間延緩效應假如相對于地面以v運動的慣性參考系上的人視察到與其一起運動的物體完成某個動作的時間間隔為Δτ，地面上的人視察到該物體完成這個動作的時間間隔為Δt，那么兩者之間的關系是Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up12(2)))。由于物體的速度不行能達到光速，所以1－eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up12(2)＜1，總有Δt>Δτ，此種狀況稱為時間延緩效應。(2)長度收縮效應假如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，那么兩者之間的關系是l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up12(2))。由于1－eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up12(2)<1，所以總有l<l0，此種狀況稱為長度收縮效應。3．相對論時空觀Δt＝eq\f(Δτ,1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up12(2))和l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up12(2))表明運動物體的長度(空間距離)和物理過程的快慢(時間進程)都跟物體的運動狀態有關。它所反映的時空觀稱作相對論時空觀。二、牛頓力學的成就與局限性1．牛頓力學的成就：從地面上物體的運動到天體的運動，都聽從牛頓力學的規律。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，它們不僅具有粒子性，同時還具有波動性，它們的運動規律在許多狀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。1．思索推斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)在經典力學中，位移的測量與參考系的運動狀況無關。 (√)(2)在相對論力學中，運動的時鐘和靜止的時鐘快慢相同。 (×)(3)經典力學一般不適用于微觀粒子。 (√)(4)對于宏觀物體的低速運動問題，相對論、量子力學與經典力學是一樣的。 (√)2．下列物體的運動不能用經典力學描述的是()A．飛機的飛行 B．人造衛星的運行C．小汽車的行駛 D．光子的運動D[經典力學適用于低速宏觀的物體，A、B、C不符合題意，選項D符合題意，故D正確。]3．關于經典力學的局限性，下列說法正確的是()A．火車提速后，有關速度問題不能用經典力學來處理B．由于經典力學有局限性，所以一般力學問題都用相對論力學來解決C．經典力學適用于宏觀低速運動的物體D．經典力學只適用于像地球和太陽那樣大的宏觀物體C[經典力學有局限性，經典力學適用于宏觀低速運動的物體，但對于一般力學問題仍能用經典力學來解決，所以即使在火車提速后，有關速度問題仍能用經典力學來處理，故A、B錯誤，C正確；經典力學不僅適用于像地球和太陽那樣大的宏觀物體，也適用一般尺寸的宏觀物體，故D錯誤。]相對論時空觀的理解(老師用書獨具)教材第67頁“思索與探討”答案提示：以μ子為參考系，μ子的平均壽命為3.0μs。以地面為參考系，μ子的平均壽命為21.3μs。如圖所示，靜止在地球上的人測得地月之間的距離為l0，坐在從地球高速飛往月球的飛船里的宇航員測得地月之間的距離仍為l0嗎？提示：不是，宇航員測得的地月之間的距離小于l0。1．狹義相對論的兩個假設在經典力學中，v船岸＝v船水＋v水岸成立，但在兩個不同參考系中，愛因斯坦認為該式不成立。1905年，愛因斯坦提出了兩條基本假設(狹義相對論的基礎)。(1)相對性原理物理規律在一切慣性參考系中都具有相同的形式。(2)光速不變原理在一切慣性參考系中，測得的真空中的光速c都相同。例如：在粒子對撞機中，有一個電子經過加速器加速后，速度可達到光速的eq\f(1,2)。此時由于電子的速度接近光速，所以質量改變明顯，依據愛因斯坦狹義相對論中運動質量與靜止質量的關系得m＝eq\f(m0,\r(1－\f(v2,c2)))＝eq\f(m0,\r(1－\f(1,4)))＝eq\f(m0,\r(\f(3,4)))＝eq\f(2m0,\r(3))≈1.155m0。2．愛因斯坦假設中的主要效應(1)時間延緩效應：運動時鐘會變慢，即Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\f(v2,c2)))。(2)長度收縮效應：運動長度l會收縮，即l＝l0eq\r(1－\f(v2,c2))。【例1】地面上長100km的鐵路上空有一火箭沿鐵路方向以30km/s的速度拂過，則火箭上的人看到鐵路的長度應當為多少？假如火箭的速度達到0.6c，則火箭上的人看到的鐵路的長度又是多少？[解析]當火箭速度較低時，長度基本不變，還是100km。當火箭的速度達到0.6c時，由相對論長度公式l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up12(2))代入相應的數據解得l＝100×eq\r(1－0.62)km＝80km。[答案]100km80km由公式l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up12(2))知，相對于地面以速度v運動的物體，從地面上看，沿著運動方向上的長度變短了，速度越大，變短得越多。,兩種狀況：1在垂直于運動方向不發生長度收縮效應現象。2我們平常視察不到這種長度收縮效應，是因為我們生活在比光速低得多的低速世界里，長度收縮效應極不明顯，即使運動物體的速度達到v＝30000km/s即0.1c，長度收縮效應也只不過是5%，因此，在低速運動中，v?c，l≈l0，長度收縮效應可忽視不計。[跟進訓練]1．(對時間延緩效應的理解)A、B兩火箭沿同一方向高速飛過地面上的某處，vA＞vB，在火箭A上的人視察到的結果正確的是()A．火箭A上的時鐘走得最快B．地面上的時鐘走得最快C．火箭B上的時鐘走得最快D．火箭B上的時鐘走得最慢A[在火箭A上的人看來，地面和火箭B都高速遠離自己，由Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up12(2)))知，在火箭A上的人視察到的結果是地面和火箭B上的時鐘都變慢了，且vA＞vB，故地面上的時鐘最慢，故A正確，B、C、D錯誤。]2．(對長度收縮效應的理解)某宇航員要到離地球5光年的星球上去旅行，假如地球指揮中心希望把這路程縮短為3光年，則他所乘飛船相對地球的速度為()A．0.5c B．0.6cC．0.8c D．0.9cC[由l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up12(2))，eq\f(l,l0)＝eq\f(3,5)，解得v＝eq\f(4,5)c，故C正確。]牛頓力學的局限性粒子對撞機可以把質子加速到接近于光速，如圖所示。經典力學是否適用于質子的運動規律？如何探討質子的運動規律？提示：不適用。經典力學只適用于宏觀低速運動，描述微觀高速粒子的運動要用到量子力學。經典力學與相對論、量子力學的比較(1)區分①經典力學適用于低速運動的物體；相對論是愛因斯坦假設闡述物體在以接近光速運動時所遵循的規律。②經典力學適用于宏觀世界；量子力學能夠正確描述微觀粒子的運動規律。(2)聯系①當物體的運動速度遠小于光速時，相對論物理學與經典物理學的結論沒有區分。②當另一個重要常量即“普朗克常量”可以忽視不計時，量子力學和經典力學的結論沒有區分。③相對論和量子力學并沒有否定經典力學，經典力學是二者在肯定條件下的特殊情形。【例2】關于經典力學、愛因斯坦假設和量子力學，下列說法中正確的是()A．愛因斯坦假設和經典力學是相互對立、互不相容的兩種理論B．經典力學包含于相對論之中，經典力學是相對論的特例C．經典力學只適用于宏觀物體的運動，量子力學只適用于微觀粒子的運動D．不論是宏觀物體，還是微觀粒子，經典力學和量子力學都是適用的B[相對論沒有否定經典力學，經典力學是相對論在肯定條件下的特殊情形，選項A錯誤，B正確；經典力學適用于宏觀、低速、弱引力的領域，選項C、D錯誤。][跟進訓練]3．(牛頓力學與相對論理論的創立)(多選)繼哥白尼提出“太陽中心說”、開普勒提出行星運動三定律后，牛頓站在“巨人”的肩膀上，創立了牛頓力學，揭示了包括行星在內的宏觀物體的運動規律；愛因斯坦既批判了牛頓力學的不足，又進一步發展了牛頓力學，創立了相對論，這說明()A．世界無限擴大，人不行能相識世界B．人的意識具有能動性，能夠正確地反映客觀世界C．人對世界的每一個正確相識都有局限性，須要發展和深化D．每一個相識都可能被后人推翻，人不行能獲得正確的相識BC[任何一個人對客觀世界的相識都要受當時的客觀條件和科學水平的制約，所以形成的“正確理論”都有肯定的局限性，愛因斯坦的相對論理論是對牛頓力學理論的發展和深化，但也有人正在向愛因斯坦理論挑戰。故選項B、C正確。]4．(牛頓力學的適用范圍和局限性)關于牛頓力學的適用范圍和局限性，下列說法正確的是()A．牛頓力學過時了，應當被量子力學所取代B．由于超音速飛機的速度太大，其運動不能用牛頓力學來說明C．人造衛星的運動不適合用牛頓力學來描述D．當物體的速度接近光速時，其運動規律不適合用牛頓力學來描述D[牛頓力學沒有過時，在低速宏觀問題中仍舊適用，故A錯誤；超音速飛機的速度遠低于光速，其運動能用牛頓力學來說明，故B錯誤；人造衛星的運動速度遠低于光速，適合用牛頓力學來描述，故C錯誤；當物體的速度接近光速時，其運動規律不適合用牛頓力學來描述，故D正確。]1．對于時空觀的相識，下列說法正確的是()A．相對論給出了物體在低速運動時所遵循的規律B．相對論具有普遍性，經典物理學為它在低速運動時的特例C．相對論的出現使經典物理學在自己的適用范圍內不再接著發揮作用D．經典物理學建立在試驗的基礎上，它的結論又受到多數次試驗的檢驗，因此在任何狀況下都適用B[相對論給出了物體在高速運動時所遵循的規律，經典物理學為它在低速運動時的特例，在自己的適用范圍內還將接著發揮作用。經典物理學有簡捷的優勢。因此A、C、D錯誤，B正確。]2．(多選)在地面旁邊有一高速飛過的火箭，關于地面上的人和火箭中的人視察到的現象中正確的是()A．地面上的人視察到火箭變短了，火箭上的時間進程變快了B．地面上的人視察到火箭變短了，火箭上的時間進程變慢了C．火箭上的人視察到火箭的長度和時間進程均無改變D．火箭上的人看地面上的物體長度變短，時間進程變慢了BCD[因為l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up12(2))和Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up12(2)))，可知l＜l0，Δt＞Δτ。一個相對地面做高速運動的慣性參考系中發生的物理過程，在地面上的人看來，火箭的長度變短了，它所經驗的時間比在這個慣性參考系中干脆視察到的時間變長了，慣性參考系速度越大，視察到的火箭的長度越短，所經驗的過程時間越長。火箭上的人視察到火箭的長度和時間進程均無改變。同樣，火箭上的人看地面上的物體長度也是變短，時間進程變慢了，選項B、C、D正確。]3．(多選)經典力學規律適用于下列運動的是()A．子彈的飛行 B．飛船繞地球的運行C．列車的運行 D．粒子接近光速的運動ABC[經典力學的適用范圍是宏觀、低速情形，子彈的飛行、飛船繞地球的運行、列車的運動，經典力學能適用，故A、B、C正確；對于微觀、高速的情形經典力學不適用，故D錯誤。]4．如圖所示，強強乘坐速度為0.9c(c為光速)的宇宙飛船追逐正前方的壯壯，壯壯的飛行速度為0.5c，強強向壯壯發出一束光進行聯絡，則壯壯麗測到該光束的傳播速度為()A．0.4cB．0.5cC．0.9cD．1.0cD[依據光速不變原理，在一切慣性參考系中測量到真空中的光速c都一樣，而壯壯所