第7.5節相對論時空觀與牛頓力學的局限性學習目標1.感受牛頓力學在高速世界與事實的矛盾，知道牛頓力學只適用于低速、宏觀物體的運動。2.知道愛因斯坦狹義相對論的基本假設，知道長度相對性和時間間隔相對性的表達式。3.關注宇宙起源和演化的研究進展。知識點一相對論時空觀如圖，在高速運行的列車車廂的頂部有一個反光鏡，列車上一個人對著反光鏡發射一束光。思考：列車上的人和地面上的人觀察到的光的往返時間是否相同？1.電磁波與光速英國物理學家麥克斯韋根據電磁場理論預言了的存在，并證明電磁波的傳播速度等于。1887年的邁克耳孫—莫雷實驗表明：在不同的參考系中，光的傳播速度都是的。2.愛因斯坦假設(1)在不同的參考系中，物理規律的形式都是的。(2)真空中的在不同的慣性參考系中大小都是的。3.時間延緩效應如果相對于地面以v運動的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完成這個動作的時間間隔為Δt，那么兩者之間的關系是Δt＝由于1－eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up12(2)<1，所以總有Δt>Δτ，此種情況稱為。4.長度收縮效應如果與桿相對的人測得桿長是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＝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，此種情況稱為長度收縮效應。5.相對論時空觀：運動物體的長度(空間距離)和物理過程的快慢(時間進程)都跟物體的有關。角度1時間延緩效應例1如圖所示，A、B、C是三個完全相同的時鐘，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。地面上的觀察者認為哪個時鐘走得最慢？哪個時鐘走得最快？訓練1話說有兄弟兩個，哥哥乘坐宇宙飛船以接近光的速度離開地球去遨游太空，經過一段時間返回地球，哥哥驚奇地發現弟弟比自己要蒼老許多，則該現象的科學解釋是（）A．哥哥在太空中發生了基因突變，停止生長了B．弟弟因思念哥哥而加速生長了C．由相對論可知，物體速度越大，在其上的時間進程就越慢，生理過程也越慢訓練2在高速列車的車廂安裝一盞燈，它每隔一定時間亮一次。列車上的人測得，燈在、兩個時刻分別亮了一次，也就是說發生了兩個事件，車上的人認為兩個事件的時間間隔是；地面上的人測得這兩個事件的時間間隔為。則與的關系是（）A． B． C． D．無法確定角度2長度收縮效應例2假設地面上有一火車以接近光速的速度運行，其內站立著一個中等身材的人，站在路旁的人觀察車里的人，觀察的結果是()A.這個人是一個矮胖子B.這個人是一個瘦高個子C.這個人矮但不胖D.這個人瘦但不高相對于地面以速度v運動的物體，從地面上看：(1)沿著運動方向上的長度變短了，速度越大，變短得越多。(2)在垂直于運動方向上不發生長度收縮效應現象。訓練1下列說法中正確的是()A.在高速運動的火車車廂中央，光源同時向車廂前后兩壁發出了一個閃光，地面上的人看到閃光同時到車廂的前后壁B.在任何慣性參考系中，物體的運動速度都不能超過光速C.一條沿自身長度方向高速運動的桿，其長度總比桿靜止時的長度大D.同樣的兩個事件，在不同的參考系中觀測，時間間隔都相同訓練2車廂內的人測得車廂長為L，則地面上的人測得車廂長為（）A．L B． C．知識點二牛頓力學的成就與局限性如圖所示，質子束被加速到接近光速，牛頓力學適用于質子束的運動規律嗎？1.牛頓力學的成就：從地面上物體的運動到天體的運動，從攔河筑壩、修建橋梁到設計各種機械，從自行車到汽車、火車、飛機等現代交通工具的運動，從投出籃球到發射導彈、人造地球衛星、宇宙飛船……所有這些都服從的規律。2.牛頓力學的局限性：電子、質子、中子等微觀粒子不僅具有，同時還具有波動性，它們的運動規律在很多情況下不能來說明，而能夠很好地描述微觀粒子的運動規律。3.經典力學的適用范圍：只適用于運動，不適用于運動；只適用于世界，不適用于世界。例3(多選)關于經典力學、狹義相對論和量子力學，下列說法正確的是()A.狹義相對論和經典力學是相互對立的，互不相容的兩種理論B.在物體高速運動時，物體的運動規律遵循狹義相對論，在低速運動時，物體的運動遵循牛頓運動定律C.經典力學適用于宏觀物體的運動，量子力學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訓練1下列物理現象，用牛頓力學無法解釋的是()A.高速運動的μ子壽命變長B.人造衛星繞地球做勻速圓周運動C.汽車轉彎時發生的側滑現象D.隨瀑布自由下落的物體不受浮力作用訓練2在勻速直線運動的火車上，一旅客不慎將公文包遺忘在衛生間里，經1min旅客從衛生間返回自己的座位時發現公文包不在，立即返回衛生間找到包，設旅客相對火車的速度大小不變，問：他從發覺丟包到找到包所用的時間是多少？基礎練習1.(光速不變原理)地面上的觀察者測得真空中的光速為v1，在勻速直線運動的列車內，觀察者測得真空中的光速為v2，根據狹義相對論，下列判斷正確的是()A.v1>v2 B.v1<v2C.v1＝v2 D.無法確定2.(時間延緩效應)在一個高速旋轉的巨大轉盤上放置三個完全相同的時鐘，a放在轉軸處，b放在中間，c放在邊緣處，如圖所示。對于地面上的觀察者，根據相對論認為三個時鐘的快慢情況，下列說法正確的是()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3.(長度收縮效應)一高速列車通過洞口為圓形的隧道，列車上的司機對隧道的觀察結果為()A.洞口為橢圓形，隧道長度變短B.洞口為圓形、隧道長度不變C.洞口為橢圓形、隧道長度不變D.洞口為圓形，隧道長度變短4.(牛頓力學的成就與局限性)下列關于牛頓力學的說法正確的是()A.牛頓力學適用于宏觀、低速(遠小于光速)運動的物體B.牛頓力學適用于微觀、高速(接近光速)運動的粒子C.相對論和量子力學的出現，表明牛頓力學已被完全否定了D.牛頓力學在理論和實踐上取得了巨大的成功，從地面到天體的運動都服從牛頓力學的規律，因此任何情況下都適用5.（多選）關于經典時空觀和相對論時空觀，下列說法正確的是（）A．經典時空觀認為時間和空間是獨立于物體及其運動而存在的B．相對論時空觀認為時間和空間與物體及其運動有關系C．研究接近光速的粒子時經典力學不適用D．當物體的運動速度遠小于光速時，相對論和經典力學的結論仍有很大的區別6．若沿空間站運動方向向前發出一束激光，設真空中的光速為c，空間站對地速度為v，則地面上觀察者測得的光速為（

）A． B．c C． D．無法確定對點題組練題組一相對論時空觀1.按照相對論的時空觀，下列說法正確的是()A.時間和空間都是獨立于物體及其運動而存在的B.在不同的慣性參考系中，光的傳播速度都是相同的C.運動物體的長度跟物體的運動快慢無關D.在高速運動的飛機上，原子鐘的計時會變快2.假設兄弟二人，哥哥乘坐宇宙飛船以接近光速的速度離開地球去遨游太空，經過一段時間后返回地球，哥哥驚奇地發現弟弟比自己蒼老許多。則該現象的科學解釋是()A.哥哥在太空中發生了基因突變，停止生長了B.弟弟因思念哥哥而加速生長C.由相對論可知，物體速度越大，其時間進程越慢，生理進程也越慢D.這是神話，科學無法解釋3.某考生現在正在完成100分鐘的期末物理考試，假設一艘飛船相對該考生以0.3c的速度勻速飛過(c為真空中的光速)，則飛船上的觀察者根據相對論認為該考生考完這場考試所用時間()A.大于100分鐘 B.等于100分鐘C.小于100分鐘 D.不能確定4.如圖所示，質量與身高均相同的甲、乙兩人分別乘坐速度為0.6c和0.8c(c為光速)的飛船在太空中同向運動。則下列說法中正確的是()A.乙觀察到甲身高變高B.甲觀察到乙身高變低C.若甲向乙揮手，則乙觀察到甲動作變快D.若甲向乙發出一束光進行聯絡，則乙觀察到該光束的傳播速度為c5.如圖所示，強強乘坐速度為0.9c(c為光速)的宇宙飛船追趕正前方的壯壯，壯壯乘坐的飛船的飛行速度為0.5c，強強向壯壯發出一束光進行聯絡，則壯壯觀測到該光束的傳播速度為()A.0.4c B.0.5cC.0.9c D.c題組二牛頓力學的成就與局限性6.(多選)牛頓的經典力學能很好地解釋下列哪些現象()A.高速公路上行駛的汽車B.空氣中下落的雨滴C.原子核外電子繞核的轉動D.空氣中飄浮的肥皂泡7.(多選)來自中國的量子科學實驗衛星“墨子號”從太空發出兩道紅色的光，射向青海德令哈站與千公里外的云南麗江高美古站，首次實現人類歷史上第一次距離達“千公里級”的量子密鑰分發。下列說法正確的是()A.牛頓力學適用于描述“墨子號”繞地球運動的規律B.牛頓力學適用于描述光子的運動規律C.量子力學可以描述“墨子號”發出的“兩道紅色的光”的運動規律D.量子力學的發現說明牛頓力學已失去了實用價值8.(多選)如果牛頓定律在參考系A中成立，而參考系B相對于A做勻速直線運動，則在參考系B中()A.牛頓定律也同樣成立B.牛頓定律不能成立C.A和B兩個參考系中，一切力學規律都是相同的D.參考系B也是慣性參考系綜合提升練9.如圖所示，沿平直鐵路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，列車上的觀察者測得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10.如圖所示，位于教室中央的光源發出一個閃光，閃光照到了教室的前壁和后壁。教室的長度為10m。在平行于教室高速運動的太空飛船上的觀察者()A.測得照到前壁的光的速度小于cB.觀測到飛船上的時間進程比教室快C.測得教室的長度大于10mD.觀察到光先到達后壁11.美國科學家宣布，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宏觀低速物體B.牛頓力學取得了巨大成就，是普遍適用的C.隨著物理學的發展，牛頓力學逐漸成為過時事物理論D.由于相對論、量子論的提出，牛頓力學已經失去了它的應有價值12.關于牛頓力學、相對論和量子力學，下列說法正確的是（

）A．牛頓力學適用于研究宏觀物體的低速運動B．由于相對論的提出，牛頓力學已經失去了它的應用價值C．高速運動的子壽命變長這一現象，既能用相對論時空觀解釋，又能用經典理論解釋D．不論是宏觀物體，還是微觀粒子，牛頓力學和量子力學都是適用的13．有關相對論以下說法不正確的是（）A．愛因斯坦假設在不同的慣性參考系中，物理規律的形式是相同的B．根據經典理論計算出每秒到達地球的μ子數大于實際觀測到的μ子數C．相對論時空觀的第一次宏觀驗證是在地面上將四只銫原子鐘調整同步，然后把它們分別放在兩架噴氣式飛機上做環球飛行，一架向東飛，另一架向西飛D．除了高速運動，牛頓力學在其它方面也有局限性培優加強練14.如圖所示，假設一根10cm長的梭鏢以接近光速的速度穿過一根10cm長的靜止的管子，它們的長度都是在靜止狀態下測量的。以下敘述中最好地描述了梭鏢穿過管子情況的是()A.靜止的觀察者看到梭鏢收縮變短，因此在某個位置，管子能完全遮住梭鏢B.靜止的觀察者看到梭鏢變長，因此在某個位置，梭鏢從管子的兩端伸出來C.靜止的觀察者看到兩者的收縮量相等，因此在某個位置，管子仍恰好遮住梭鏢D.如果梭鏢和管子都以光速c相向運動，則二者的相對速度是2c15.如圖所示，甲站在水