高中物理人教版 (2019)必修 第二册第七章 万有引力与宇宙航行5 相对论时空观与牛顿力学的局限性导学案

相对论时空观与牛顿力学的局限性

【学习目标】

1．知道以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围。

2．知道相对论、量子力学和经典力学的关系。

3．通过对牛顿力学适用范围的讨论，使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围，认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神。

【学习重点】

了解经典力学的局限性

【学习难点】

了解相对论、量子力学与经典力学的关系

【新知探究】

一、自主学习

1．“同时”的相对性

（1）经典物理学认为：如果两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中一定也是________的。

（2）狭义相对论的时空观认为：同时是________的，即在同一个参考系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个参考系中不一定是________的。

2．时间间隔的相对性

（1）经典物理学认为：某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔总是________的。

（2）相对论的时空观：某两个事件，在不同的惯性参考系中观察，它们的时间间隔是________的。

设表示相对事件发生地静止的惯性系中观测的两事件的时间间隔，表示相对事件发生地以速度v高速运动的参考系中观测的同样两事件的时间间隔，则它们的关系是________，即运动时钟会变慢。

3．长度的相对性

（1）经典的时空观：一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同。

（2）相对论的时空观：“长度”也具有相对性，一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比静止时的长度小。与杆相对静止的人认为杆长为，与杆相对运动的人认为杆长是，那么两者之间的关系是________，即运动长度会收缩。

二、合作学习

【问题1】经典力学在哪些领域不能适用？能说出为什么吗？举例说明。

结论：经典力学在微观领域和高速运动领域不再适用；在不同参考系中不能适用；在强引力的情况下，经典的引力理论也是不适用的。

因为微观粒子（如电子、质子、中子）在运动时不仅具有粒子性，而且还具有波动性，经典力学不能说明这种现象，所以它不再适用，同时在高速运动领域，由于物体运动速度太快，要导致质量发生变化，而经典力学认为质量是不变的，所以经典力学在高速运动领域内也不再适用。

【问题2】经典力学的适用范围是什么？

结论：宏观物体，低速运动。

【问题3】相对论和量子力学的出现是否否定了牛顿的经典力学？应该怎样认识？

结论：相对论和量子力学的出现并没有否定牛顿的经典力学，它们只是在不同情况下采用的不同研究方法，经典力学在微观领域、高速运动的情况下不再适用，而量子力学也不适用于宏观、低速运动的物体。

【学习小结】

1．爱因斯坦的两个假设

相对性原理：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。

2．时间延缓效应

3．长度收缩效应

4．经典力学只适用于解决低速运动问题，不能用来处理高速运动问题，经典力学只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子：经典力学只适用于解决弱引力问题，不能用来处理强引力问题。

【精练反馈】

1．判断下列说法是否正确。

（1）一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，这是经典物理学家的观点。（√）

（2）一根杆的长度静止时为，不管杆如何运动，杆的长度均小于。（×）

（3）“动钟变慢”是时钟的精度因运动而发生了变化。（×）

（4）长度、时间的测量结果会随物体与观察者的相对运动状态的改变而改变。（√）

（5）高速运动的飞船中的宇航员发现地面的时钟变慢了。（√）

（6）地面上的人认为两个事件同时发生，而高速运动的飞船中的宇航员却不这么认为。（√）

2．物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识，推动了科学技术的创新和革命，促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步，下列表述正确的是（AD）

A．牛顿发现了万有引力定律

B．牛顿通过实验证实了万有引力定律

C．相对论的创立表明经典力学已不再适用

D．爱因斯坦建立了狭义相对论，把物理学推到高速领域

3．20世纪以来，人们发现了一些新的事实，而经典力学却无法解释，经典力学只适用于解决物体低速运动的问题，不能用来处理高速运动的问题；只适用于宏观物体，不适用于微观粒子。这说明（BCD）

A．随着认识的发展，经典力学已成了过时的理论

B．人们对客观事物的具体认识，在广度上是有局限性的

C．不同领域的事物各有其本质与规律

D．人们应当不断扩展认识，在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律