目標(biāo)體系構(gòu)建
明確目標(biāo)·梳理脈絡(luò)
【學(xué)習(xí)目標(biāo)】
1．感受牛頓力學(xué)在高速世界與事實(shí)的矛盾，知道牛頓力學(xué)只適用于低速、宏觀物體的運(yùn)動。知道相對論、量子論有助于人類認(rèn)識高速、微觀領(lǐng)域。
2．知道愛因斯坦狹義相對論的基本假設(shè)，知道長度相對性和時間間隔相對性的表達(dá)式。
3．了解宇宙起源的大爆炸理論。
【思維脈絡(luò)】
課前預(yù)習(xí)反饋
教材梳理·落實(shí)新知
知識點(diǎn) 1 相對論時空觀
1．絕對時空觀：時間與空間都是獨(dú)立于物體及其__運(yùn)動__而存在的，也叫牛頓力學(xué)時空觀。
2．愛因斯坦的兩個假設(shè)：
(1)在不同的慣性參考系中，物理規(guī)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。
3．時間延緩效應(yīng)：Δt＝__eq \f(Δτ,\r(1－?\f(v,c)?2))__。
4．長度收縮效應(yīng)：l＝__l0eq \r(1－?\f(v,c)?2)__。
5．相對論時空觀：
運(yùn)動物體的長度(空間距離)和物理過程的快慢(時間進(jìn)程)都跟物體的__運(yùn)動狀態(tài)__有關(guān)。
知識點(diǎn) 2 牛頓力學(xué)的成就與局限性
1．牛頓力學(xué)的成就：從地面上物體的運(yùn)動到__天體__的運(yùn)動，從攔河筑壩、修建橋梁到設(shè)計(jì)各種機(jī)械，從自行車到汽車、火車、飛機(jī)等現(xiàn)代交通工具的運(yùn)動，從投出籃球到發(fā)射導(dǎo)彈、人造地球衛(wèi)星、宇宙飛船……所有這些都服從__牛頓力學(xué)__的規(guī)律。
2．牛頓力學(xué)的局限性：牛頓力學(xué)對于__高速運(yùn)動__的物體和電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子是不適用的。
3．量子力學(xué)的建立能夠很好地描述__微觀__運(yùn)動的規(guī)律，并在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要作用。
4．相對論與量子力學(xué)都沒有__否定__過去的科學(xué)，而只認(rèn)為過去的科學(xué)是自己在一定條件下的__特殊__情形。
思考辨析
『判一判』
(1)運(yùn)動的時鐘顯示的時間變慢，高速飛行的μ子的壽命變長。(√)
(2)沿著桿的方向，相對于觀察者運(yùn)動的桿的長度變短。(√)
(3)在經(jīng)典力學(xué)中，位移的測量與參考系的運(yùn)動情況無關(guān)。(√)
(4)經(jīng)典力學(xué)只適用于世界上普通的物體，研究天體的運(yùn)動，經(jīng)典力學(xué)就無能為力了。(×)
(5)洲際導(dǎo)彈的速度可達(dá)到6 000 m/s，在這種高速運(yùn)動狀態(tài)下，經(jīng)典力學(xué)不適用。(×)
(6)對于宏觀物體的低速運(yùn)動問題，相對論、量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)是一致的。(√)
『選一選』
(2021·浙江省德清縣第三中學(xué)高一月考)引力波是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(nèi)彌補(bǔ)了牛頓力學(xué)的局限性。關(guān)于牛頓力學(xué)，下列說法正確的是 ( A )
A．牛頓力學(xué)完全適用于宏觀低速運(yùn)動
B．牛頓力學(xué)取得了巨大成就，是普遍適用的
C．隨著物理學(xué)的發(fā)展，牛頓力學(xué)將逐漸成為過時的理論
D．由于相對論的提出，牛頓力學(xué)已經(jīng)失去了它的應(yīng)用價值
解析：牛頓力學(xué)適用于低速運(yùn)動的宏觀物體，故A正確；牛頓力學(xué)取得了巨大的成就，但它具有一定的局限性，并不是普遍適用的，故B錯誤；在微觀高速領(lǐng)域，要用量子力學(xué)和相對論理論來解釋，但是并不會因?yàn)橄鄬φ摵土孔恿W(xué)的出現(xiàn)，就否定了牛頓力學(xué)，牛頓力學(xué)作為某些條件下的特殊情形，被包括在新的科學(xué)成就之中，不會過時，不會失去價值，故C、D錯誤。
『想一想』
世界上各式各樣的鐘：砂鐘、電鐘、機(jī)械鐘、光鐘和生物鐘。既然運(yùn)動可以使某一種鐘變慢，它一定會使所有的鐘都一樣變慢。這種說法對嗎？
提示：對。
課內(nèi)互動探究
細(xì)研深究·破疑解難
探究
相對論時空觀
┃┃情境導(dǎo)入__■
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
┃┃要點(diǎn)提煉__■
牛頓力學(xué)時空觀與相對論時空觀比較
┃┃典例剖析__■
典題1 如圖所示，假設(shè)一根10 cm長的梭鏢以接近光速穿過一根10 cm長靜止的管子，它們的長度都是在靜止?fàn)顟B(tài)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 )
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(yùn)動，則二者的相對速度是2c
思路引導(dǎo)：“尺縮”效應(yīng)公式l＝l0eq \r(1－?\f(v,c)?2)中的l和l0是具有相對性的，到底是管子收縮變短還是梭鏢收縮變短，要看觀察者所處的參考系。
解析：根據(jù)狹義相對論的尺縮效應(yīng)，如果梭鏢相對于觀察者運(yùn)動，那么梭鏢收縮變短，而管子長度不變，因此在某個位置，管子能完全遮住梭鏢，選項(xiàng)A正確，B、C錯誤；由光速不變原理，可知物體的速度不會超過光速，故D錯誤。
┃┃對點(diǎn)訓(xùn)練__■
1．如圖所示，強(qiáng)強(qiáng)乘坐速度為0.9c(c為光速)的宇宙飛船追趕正前方的壯壯，壯壯的飛行速度為0.5c，強(qiáng)強(qiáng)向壯壯發(fā)出一束光進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，則壯壯觀測到該光束的傳播速度為( D )
A．0.4c B．0.5c
C．0.9c D．1.0c
解析：根據(jù)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，而壯壯所處參考系即為慣性參考系，因此壯壯觀察到的光速為1.0c，選項(xiàng)D正確。
探究
牛頓力學(xué)的成就與局限性
┃┃情境導(dǎo)入__■
粒子對撞機(jī)可以把質(zhì)子加速到接近于光速，如圖所示。經(jīng)典力學(xué)是否適用于質(zhì)子的運(yùn)動規(guī)律？如何研究質(zhì)子的運(yùn)動規(guī)律？
提示：不適用。經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀低速運(yùn)動，描述微觀高速粒子的運(yùn)動要用到量子力學(xué)。
┃┃要點(diǎn)提煉__■
1．牛頓力學(xué)的成就
牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動定律，在低速、宏觀、弱引力的廣闊領(lǐng)域，牛頓力學(xué)取得了巨大的成就。牛頓力學(xué)又稱為經(jīng)典力學(xué)。
2．牛頓力學(xué)的局限性
20世紀(jì)20年代，建立了量子力學(xué)，它能夠很好地描述微觀粒子運(yùn)動的規(guī)律，并在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要作用；愛因斯坦的廣義相對論表明，在強(qiáng)引力的作用下，牛頓的引力理論將不再適用；相對論和量子力學(xué)都沒有否定牛頓力學(xué)，而是認(rèn)為牛頓力學(xué)是相對論在低速情況下的近似。
┃┃典例剖析__■
典題2 (多選)20世紀(jì)以來，人們發(fā)現(xiàn)了一些新的事實(shí)，而牛頓力學(xué)卻無法解釋。牛頓力學(xué)只適用于解決物體的低速運(yùn)動問題，不能用來處理高速運(yùn)動問題；只適用于宏觀物體，一般不適用于微觀粒子。這說明( BCD )
A．隨著認(rèn)識的發(fā)展，牛頓力學(xué)已成了過時的理論
B．人們對客觀事物的具體認(rèn)識在廣度上是有局限性的
C．不同領(lǐng)域的事物各有其本質(zhì)與規(guī)律
D．人們應(yīng)當(dāng)不斷擴(kuò)展認(rèn)識，在更廣闊的領(lǐng)域內(nèi)掌握不同事物的本質(zhì)與規(guī)律
思路引導(dǎo)：相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，說明人類對自然界的認(rèn)識更加廣闊和深入，但并不表示牛頓力學(xué)失去了意義。歷史上的科學(xué)成就不會被新的科學(xué)成就完全否定，而是作為某些條件下的特殊情形，被包括在新的科學(xué)成就之中。
解析： 人們對客觀世界的認(rèn)識要受到所處的時代的客觀條件和科學(xué)水平的制約，所以形成的看法也都具有一定的局限性，人們只有不斷擴(kuò)展自己的認(rèn)識，才能掌握更廣闊領(lǐng)域內(nèi)的不同事物的本質(zhì)與規(guī)律；新的科學(xué)的誕生并不意味著對原來科學(xué)的全盤否定，只能認(rèn)為過去的科學(xué)是新的科學(xué)在一定條件下的特殊情形。
┃┃對點(diǎn)訓(xùn)練__■
2．(2021·江蘇淮安市高一月考)關(guān)于牛頓力學(xué)、相對論和量子力學(xué)，下列說法中正確的是( B )
A．相對論和牛頓力學(xué)是相互對立、互不相容的兩種理論
B．在物體高速運(yùn)動時，物體的運(yùn)動規(guī)律適用于相對論，在低速運(yùn)動時，物體的運(yùn)動規(guī)律適用于牛頓運(yùn)動定律
C．牛頓力學(xué)適用于宏觀物體的運(yùn)動，也適用于微觀粒子的運(yùn)動
D．不論是宏觀物體，還是微觀粒子，牛頓力學(xué)和量子力學(xué)都是適用的
解析：經(jīng)典力學(xué)是狹義相對論在低速(v?c)條件下的近似，即只要速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速，經(jīng)過數(shù)學(xué)變換狹義相對論的公式就全部變化為牛頓經(jīng)典力學(xué)的公式，故A錯誤；在物體高速運(yùn)動時，物體的運(yùn)動規(guī)律服從狹義相對論理論，在低速運(yùn)動時，物體的運(yùn)動服從牛頓定律，故B正確；牛頓經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀低速物體，而微觀、高速適用于狹義相對論，故CD錯誤。
易錯辨析警示
以題說法·釋疑解惑
易錯點(diǎn)：不能靈活運(yùn)用相對論時空觀分析問題
案例 與相對論有關(guān)的問題，下列說法正確的是( C )
A．火箭內(nèi)有一時鐘，當(dāng)火箭高速運(yùn)動后，此火箭內(nèi)觀察者發(fā)現(xiàn)時鐘變慢了
B．一根桿的長度靜止時為l0，不管桿如何運(yùn)動，桿的長度均小于l0
C．如果兩根平行的桿在沿自己的長度方向上做相對運(yùn)動，則與它們一起運(yùn)動的兩位觀察者都會認(rèn)為對方的桿縮短了
D．相對論只適用于高速運(yùn)動(速度接近真空中的光速的運(yùn)動)，不適用于低速運(yùn)動
易錯分析：不理解牛頓力學(xué)與相對論之間的區(qū)別與聯(lián)系而錯選D，對相對論的內(nèi)容理解不透徹而錯選A、B。
正解：C
正確解答：當(dāng)火箭高速運(yùn)動后，火箭內(nèi)觀察者相對于時鐘的速度為0，所以發(fā)現(xiàn)時鐘走時速度不變，A錯誤；一根桿的長度靜止時為l0，當(dāng)桿運(yùn)動方向與桿垂直時，桿的長度不發(fā)生變化，B錯誤；根據(jù)相對論時空觀，兩根平行的桿在沿自己的長度方向上做相對運(yùn)動，與它們一起運(yùn)動的兩位觀察者都認(rèn)為對方的桿縮短了，C正確；相對論和牛頓力學(xué)在低速運(yùn)動中的結(jié)論沒有區(qū)別，D錯誤。
課堂達(dá)標(biāo)檢測
沙場點(diǎn)兵·名校真題
1．(2021·江蘇南通市高一開學(xué)考試)下列運(yùn)動中不能用經(jīng)典力學(xué)規(guī)律描述的是( B )
A．子彈的飛行
B．粒子接近光速的運(yùn)動
C．人造衛(wèi)星繞地球運(yùn)動
D．和諧號從南通向上海飛馳
解析：經(jīng)典力學(xué)的適用范圍是宏觀、低速情形，子彈的飛行、人造衛(wèi)星繞地球的運(yùn)行、列車的運(yùn)動，經(jīng)典力學(xué)能適用；對于微觀高速的情形經(jīng)典力學(xué)不適用，故選B。
2．(2021·河南洛陽市高一月考)以下哪項(xiàng)屬于愛因斯坦對相對論提出的基本假設(shè)( B )
A．一條沿自身長度方向運(yùn)動的桿，其長度總比桿靜止時的長度小
B．在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的
C．真空中的光速在不同的慣性參考系都是不相同的
D．相對論認(rèn)為時間和空間與物體的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)
解析：愛因斯坦對相對論提出的兩條基本假設(shè)為：在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的，其他內(nèi)容均建立在這兩條基本假設(shè)基礎(chǔ)之上。故選B。
3．(2021·江蘇蘇州中學(xué)高一月考)如圖所示，李明和張華在小區(qū)電梯內(nèi)看到一則小廣告：“鐵籠飛車燃情登場，掙脫地心引力，給你一場極限視覺享受”。關(guān)于廣告內(nèi)容，二人發(fā)生了爭執(zhí)，以下是二人的說法，你認(rèn)為正確的是( B )
eq \x(\a\al( 潮動飛車秀,鐵籠飛車燃情登場，,掙脫地心引力，,給你一場極限視覺享受 ))
A．飛車不可能掙脫地心引力，除非飛車速度達(dá)到7.9 km/s
B．飛車不可能掙脫地心引力，除非飛車速度能夠超過11.2 km/s
C．若飛車速度足夠大，最終可以成為一顆繞地球運(yùn)動且速度大于7.9 km/s的衛(wèi)星
D．由牛頓運(yùn)動定律可知，只要飛車一直加速，速度最終就可以超過光速
解析：要想脫離地球的引力而飛出地球，其速度必須要大于第二宇宙速度11.2 km/h，則選項(xiàng)A錯誤，B正確；第一宇宙速度7.9 km/h是繞地球做圓周運(yùn)動的衛(wèi)星的最大環(huán)繞速度，則即使飛車速度足夠大，最終也不可能成為一顆繞地球運(yùn)動且速度大于7.9 km/s的衛(wèi)星，選項(xiàng)C錯誤；光速是自然界速度的極限，在任何參考系中，物體的運(yùn)動速度都不能超過光速，故D錯誤。
4．(2021·江蘇蘇州中學(xué)高一月考)繼哥白尼提出“太陽中心說”、開普勒提出行星運(yùn)動三定律后，牛頓站在巨人的肩膀上，創(chuàng)立了經(jīng)典力學(xué)，揭示了包括行星在內(nèi)的宏觀物體的運(yùn)動規(guī)律；愛因斯坦既批判了牛頓力學(xué)的不足，又進(jìn)一步發(fā)展了牛頓的經(jīng)典力學(xué)，創(chuàng)立了相對論，這說明( C )
A．世界無限擴(kuò)大，人不可能認(rèn)識世界，只能認(rèn)識世界的一部分
B．人的認(rèn)識具有能動性，都能夠正確地反映客觀世界
C．人對世界的每一個正確認(rèn)識都有局限性，需要發(fā)展和深化
D．每一個認(rèn)識都可能被后人推翻，人不可能獲得正確的認(rèn)識
解析：發(fā)現(xiàn)總是來自于認(rèn)識的過程，愛因斯坦的相對理論并沒有否定經(jīng)典力學(xué)，而是對牛頓力學(xué)理論的發(fā)展和深化，但也有人正在向愛因斯坦理論挑戰(zhàn)。故選C。
5．(多選)(2021·麻城市實(shí)驗(yàn)高級中學(xué)高一月考)物理學(xué)的發(fā)展豐富了人類對動物世界的認(rèn)識，推動了科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和革命，促進(jìn)了物質(zhì)生產(chǎn)的繁榮與人類文明的進(jìn)步，下列表述正確的是( AD )
A．牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律
B．牛頓通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了萬有引力定律
C．相對論的創(chuàng)立表明經(jīng)典力學(xué)已不再適用
D．愛因斯坦建立了狹義相對論，把物理學(xué)推進(jìn)到高速領(lǐng)域
解析：牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，故A正確；牛頓通過月地檢驗(yàn)證實(shí)了萬有引力定律，故B錯誤；相對論并沒有否定經(jīng)典力學(xué)，而是在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，有各自成立范圍，故C錯誤；愛因斯坦建立了狹義相對論，把物理學(xué)推進(jìn)到高速領(lǐng)域，故D正確。比較項(xiàng)目
牛頓力學(xué)時空觀
相對論時空觀
同時
絕對性
相對性
長度
絕對性
相對性
光速
可變(遵循經(jīng)典速度變換規(guī)律)
不變
物理規(guī)律
－
在不同慣性參考系中其形式相同
研究方法
的代表
伽利略的“自然數(shù)學(xué)法”和牛頓的“歸納演繹法”推動了物理、數(shù)學(xué)和哲學(xué)的發(fā)展
主要成就
天體力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等得到了廣泛的應(yīng)用
18世紀(jì)60年代，力學(xué)和熱力學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用，引發(fā)了第一次工業(yè)革命
動量守恒定律、機(jī)械能守恒定律等是航空航天技術(shù)的理論基礎(chǔ)

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5 相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性

版本： 人教版 (2019)

年級： 必修 第二冊

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