第5节　相对论时空观与牛顿力学的局限性 教学设计.doc

第5节相对论时空观与牛顿力学的局限性

[学习目标]

1．了解经典力学的发展历程和伟大成就．

2．认识经典力学的局限性和适用范围．

3．初步了解微观和高速世界中的奇妙现象．

4．了解相对论、量子力学和经典力学的关系．

知识点1相对论时空观

1．19世纪，英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了电磁波的存在，并证明电磁波的传播速度等于光速c．

2．1887年的迈克耳孙—莫雷实验以及其他一些实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的．

3．爱因斯坦假设：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的．

4．时间延缓效应：完成某一动作，在相对地面以v运动的惯性参考系上的人观察到的时间间隔Δτ和在地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔Δt之间的关系是Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))\s\up12(2))).

由于1－eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up12(2)1，所以总有ΔtΔτ，此种情况称为时间延缓效应．

5．长度收缩效应：如果与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以v相对杆运动的人测得杆长是l，那么两者之间的关系是l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))\s\up12(2)).

由于1－eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up12(2)1，所以总有ll0，此种情况称为长度收缩效应．

6．相对论时空观：运动物体的长度(空间距离)和物理过程的快慢(时间进程)都跟物体的运动状态有关．

[判一判]

1．(1)洲际导弹的速度有时可达到6000m/s，此速度在相对论中属于高速．()

(2)时间间隔和长度在任何时候都不会变．()

(3)对于高速运动的物体，它的长度随着速度的增大而减小．()

提示：(1)×(2)×(3)√

知识点2牛顿力学的成就与局限性

1．电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明，而量子力学能够很好地描述微观粒子的运动规律．

2．经典力学的适用范围：只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界．

[判一判]

2．(1)对于宏观物体的低速运动问题，相对论、量子力学与经典力学是一致的．()

(2)牛顿力学适用于低速、宏观物体．()

(3)相对论时空观否定了牛顿力学时空观．()

提示：(1)√(2)√(3)×

1．(光速不变原理)在高速世界里，时间和空间都是相对的，都会随惯性参考系的选择不同而不同．基于爱因斯坦的假设，下列说法正确的是()

A．物理规律在一切参考系中都具有相同的形式

B．在一切参考系中，测量到的真空中的光速c都一样

C．在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c都一样

D．上面所述均不正确

解析：选C.关于相对论时空观，爱因斯坦的假设是：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的，故A、B错误，C正确．

2．(相对时空观)通过一个加速装置对电子施加一很大的恒力，使电子从静止开始加速，则对这个加速过程，下列描述正确的是()

A．根据牛顿第二定律，电子将一直做匀加速直线运动

B．电子先做匀加速直线运动，后以光速做匀速直线运动

C．电子开始近似于匀加速直线运动，后来质量增大，牛顿运动定律不再适用

D．电子是微观粒子，整个加速过程根本就不能用牛顿运动定律来解释

解析：选C.电子在加速装置中由静止开始加速运动，初始阶段速度较小，远小于光速，此时牛顿运动定律基本适用，可以认为在它被加速的最初阶段，它做匀加速运动；随着电子速度越来越大，接近光速时，相对论效应越来越明显，质量增大，它不再做匀加速直线运动，牛顿运动定律不再适用．

3．(经典力学与相对论)关于经典力学和相对论，下列说法正确的是()

A．经典力学和相对论是各自独立的学说，互不相容

B．相对论是在否定了经典力学的基础上建立起来的

C．相对论和经典力学是两种不同的学说，二者没有联系

D．经典力学包含于相对论之中，经典力学是相对论的特例

解析：选D.经典力学包含于相对论之中，经典力学是相对论的特例，即当速度远小于光速时的特殊情形，故D正确．

探究一相对论时空观与牛顿力学

1．绝对时空观

绝对时空观认为时间和空间是两个独立的观念，彼此之间没有联系，分别具有绝对性．绝对时空观首先由牛顿明确提出，也叫牛顿力学时空观．在绝对时空观中，时间与空间的度量与惯性参考系的运动状