人教版 (2019)必修 第二册5 相对论时空观与牛顿力学的局限性课堂教学ppt课件

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1.感受牛顿力学在高速世界与事实的矛盾,知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。知道相对论、量子论有助于人类认识高速、微观领域。(物理观念)2.知道爱因斯坦狭义相对论的基本假设,知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。 (科学思维)3.了解宇宙起源的大爆炸理论,知道科学真理是相对的。(物理观念)
一、牛顿力学时空观(绝对时空观)1.时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的。2.速度合成:若河水以相对于岸的速度v水岸流动,河中的船以相对于水的速度v船水顺流而下,则船相对于岸的速度为v船岸=v船水+v水岸。
二、相对论时空观1.牛顿力学理论与电磁波理论的矛盾1887年的迈克耳孙—莫雷实验等表明:在不同的参考系中,光的传播速度都一样:而牛顿力学中,在不同的参考系中,同一物体的速度不同。2.相对论的两个基本假设在牛顿力学理论与电磁波理论的矛盾与冲突面前,爱因斯坦、庞加莱等人彻底放弃绝对时间的概念。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。
3.相对论时空观在爱因斯坦两个假设的基础上,经过严格的数学推导,得到:(1)时间延缓效应如果相对于地面以v运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ,地面上的人观察到该物体在同一地点完成
(2)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
(3)结论: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。
4.实验验证(1)高速运动的μ子寿命变长,导致在地面附近实际观测到的μ子的数量大于经典理论作出的预言。(2)“铯原子钟”实验结果与相对论的理论预言符合得很好。
三、牛顿力学的成就与局限性1.局限性:(1)当宏观物体的速度接近光速时,不服从牛顿力学规律。(2)微观粒子(电子、质子、中子等)的运动不服从牛顿力学规律。2.牛顿力学与相对论物理学、量子力学的关系(1)牛顿力学是相对论物理学、量子力学在某些条件下的特殊情形。(2)相对论与量子力学都没有否定牛顿力学。当物体的运动速度远小于光速时,普朗克常量可以忽略不计时,它们结论没有区别。
1.正误辨析,判断结果为错误的小题说明原因。(1)1887年的迈克尔孙—莫雷实验证实在不同的参考系中,光的传播速度都是一样的。(　　)答案 √(2)汽车运动时没发现长度变化,故狭义相对论是错误的。(　　)答案 ×
解析 汽车的速度相对于光速来说很慢,由l=l0 可知,l与l0近似相等,即汽车运动时长度几乎不会改变。
(3)时间延缓效应是低速的时钟比高速的时钟走得慢。(　　)答案 ×解析 时间延缓效应是指在一个相对于我们做高速运动的惯性系中发生的物理过程,在我们看来,他所经历的时间比在这个惯性系中直接观察到的时间长。(4)牛顿力学适用于低速、宏观物体。(　　)答案 √(5)相对论时空观否定了牛顿力学时空观。(　　)答案 ×解析 牛顿力学是相对论物理学、量子力学在某些条件下的特殊情形,两者都没有否定牛顿力学。
2.(多选)关于狭义相对论的两个假设,下列说法正确的是(　　)A.在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的B.在不同的惯性参考系中,力学规律都一样,电磁规律不一样C.真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的D.真空中的光速在不同的惯性参考系中大小是有差别的答案 AC解析 狭义相对论的基本假设有两个,分别是狭义相对性原理和光速不变原理,选项A、C正确。
3.一支静止时长l的火箭以v的速度从观察者的身边飞过。(1)火箭上的人测得火箭的长度应为　　　　　　。 (2)观察者测得火箭的长度应为　　　　　　。 (3)如果火箭的速度为光速的二分之一,观察者测得火箭的长度应为　　　　　　。 
日常生活中我们并没有发现物体的长度随着运动速度发生变化,假设物体以接近光速的速度运动,你认为它的长度变化吗?要点提示 根据相对论时空观,物体沿着运动方向上的长度会变短。
相对论时空观的“两个基本假设”和“两个效应”的理解1.两个假设(1)在不同的惯性参考系中,物理规律的形式都是相同的。也就是说,物理学的定律与惯性系的选择无关。(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。也就是说,不管光源与观察者的相对运动如何,在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的光速都是相等的。
2.两个效应(1)时间延缓效应:如果相对于地面以v运动的惯性参考系上的人,观察与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ,那么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为Δt,有Δt= ,c为真空中的光速,总有Δt>Δτ。理解:(1)对同一物理过程经历的时间,在不同的惯性系中观测,测得的结果不同,时间延缓效应是一种观测效应,不是被测过程的节奏变化了。(2)惯性系速度越大,地面上的人观测到的时间越长。(3)由于运动是相对的,故在某一参考系中观测另一参考系中发生的物理事件,总会感到时间延缓效应。即惯性系中的人观测地面上发生的事件的时间也延缓。
理解:(1)长度收缩效应也是一种观测效应,不是物体本身发生了收缩。(2)在垂直于运动方向上,物体不会发生收缩效应。(3)由于运动是相对的,故在某一参考系中观测另一参考系中沿杆方向的长度,总有长度收缩效应。即在静止惯性系中的人观测运动的杆,沿杆运动方向的长度发生收缩。
例1(多选)一枚火箭静止于地面时长为30 m,两个完全相同的时钟分别放在火箭内和地面上。火箭以速度v飞行,光速为c,下列判断正确的是(　　)A.若v=0.5c,火箭上的观察者测得火箭的长度仍为30 mB.若v=0.5c,地面上的观察者测得火箭的长度仍为30 mC.若v=0.5c,火箭上的观察者认为地面上的时钟走得快D.若v=0.5c,地面上的观察者认为火箭上的时钟走得慢
解析 一枚静止时长30 m的火箭以0.5c的速度飞行,根据相对论时空观得火箭上的人测得火箭的长度为30 m,故A正确;根据长度的收缩性l=l0 得地面上的观察者测得火箭的长度为L=26 m,故B错误;根据时间延缓效应,运动的钟比静止的钟走得慢,而且,运动速度越大,钟走得越慢;同时运动是相对的,火箭相对于地面上的人是运动的,地面上的人相对于火箭也是运动的,所以若v=0.5c,火箭上的观察者认为地面上的时钟走得慢,同时地面上的观察者认为火箭上的时钟走得慢,故C错误,D正确。
规律方法 相对论时空观有两个显著的效应,即时间延缓和长度收缩,也称钟慢和尺缩。可以通俗地理解为:运动的钟比静止的钟走得慢,而且,运动速度越快,钟走得越慢,接近光速时,钟就几乎停止了;在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短,这就是所谓的尺缩效应,当速度接近光速时,尺子缩成一个点。
变式训练1A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处,vA=2vB,在火箭A上的人观察到的结果是(　　)A.火箭A上的时钟走得最快B.地面上的时钟走得最快C.火箭B上的时钟走得最快D.火箭B上的时钟走得最慢
解析 在火箭A上的人看来,地面和火箭B都高速远离自己,由Δt= 知,在火箭A上的人观察到的结果是地面和火箭B上的时钟都变慢了,且地面上的时钟最慢,因此选项A正确,B、C、D错误。
粒子对撞机可以把质子加速到接近于光速,如图所示。经典力学是否适用于质子的运动规律?如何研究质子的运动规律?
要点提示 不适用。经典力学只适用于宏观低速运动,描述微观高速粒子的运动要用到量子力学。
经典力学与相对论、量子力学的比较1.区别(1)经典力学适用于低速运动的物体;相对论是爱因斯坦假设阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律。(2)经典力学适用于宏观世界;量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律。
2.联系(1)当物体的运动速度远小于光速时,相对论物理学与经典物理学的结论没有区别。(2)当另一个重要常量即“普朗克常量”可以忽略不计时,量子力学和经典力学的结论没有区别。(3)相对论和量子力学并没有否定经典力学,经典力学是二者在一定条件下的特殊情形。
例2关于经典力学、爱因斯坦假设和量子力学,下列说法正确的是(　　)A.爱因斯坦假设和经典力学是相互对立、互不相容的两种理论B.经典力学包含于相对论之中,经典力学是相对论的特例C.经典力学不仅适用于低速运动,还适用于高速运动D.不论是宏观物体,还是微观粒子,经典力学和量子力学都是适用的答案 B解析 相对论并没有否定经典力学,经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形,选项A错误,B正确。经典力学适用于宏观、低速的领域,不适用于微观、高速的领域,选项C、D错误。
变式训练2以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围是(　　)A.低速、宏观的运动问题　B.高速、微观的运动问题C.低速、微观的运动问题D.高速、宏观的运动问题答案 A
1.经典力学不能适用于下列哪些运动(　　)A.火箭的发射B.宇宙飞船绕地球的运动C.宇宙探测器在太空的运动D.电子的波动性答案 D解析 经典力学只适用于宏观低速物体,而不适用于微观高速粒子的运动,故经典力学不适用于电子的波动性,选项D正确。
2.高速列车通过洞口为圆形的隧道,列车上的司机对隧道的观察结果为(　　)A.洞口为椭圆形,长度变短B.洞口为圆形、长度不变C.洞口为椭圆形、长度不变D.洞口为圆形,长度变短答案 D解析 根据尺缩效应,高速列车通过洞口为圆形的隧道时,列车上的司机仍然会观察到圆形的洞口,但是观察到的隧道的长度变短,选项D正确。
3.对于时空观的认识,下列说法正确的是(　　)A.相对论给出了物体在低速运动时所遵循的规律B.相对论具有普遍性,经典物理学为它在低速运动时的特例C.相对论的出现使经典物理学在自己的适用范围内不再继续发挥作用D.经典物理学建立在实验的基础上,它的结论又受到无数次实验的检验,因此在任何情况下都适用答案 B解析 相对论给出了物体在高速运动时所遵循的规律,经典物理学为它在低速运动时的特例,在自己的适用范围内还将继续发挥作用。选项A、C、D错误,B正确。
4.(多选)在地面附近有一高速飞过的火箭,关于地面上的人和火箭中的人观察到的现象正确的是(　　)A.地面上的人观察到火箭变短了,火箭上的时间进程变快了B.地面上的人观察到火箭变短了,火箭上的时间进程变慢了C.火箭上的人观察到火箭的长度和时间进程均无变化D.火箭上的人看地面上的物体长度变短,时间进程变慢了