5．相對論時空觀與牛頓力學(xué)局限性
【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1．感受牛頓力學(xué)在高速世界與事實的矛盾，知道牛頓力學(xué)只適用于低速、宏觀物體的運動。知道相對論、量子論有助于人類認識高速、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式。3．了解宇宙起源的大爆炸理論。
1．絕對時空觀：時間與空間都是獨立于物體及其________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________的；(2)真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是________的。
3．時間延緩效應(yīng)：Δt＝__________。4．長度收縮效應(yīng)：l＝___________。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(guān)。
1．牛頓力學(xué)的成就：從地面上物體的運動到________的運動，從攔河筑壩、修建橋梁到設(shè)計各種機械，從自行車到汽車、火車、飛機等現(xiàn)代交通工具的運動，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____________的規(guī)律。
牛頓力學(xué)的成就與局限性
2．牛頓力學(xué)的局限性：牛頓力學(xué)對于____________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________運動的規(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________過去的科學(xué)，而只認為過去的科學(xué)是自己在一定條件下的________情形。
『判一判』(1)運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，研究天體的運動，經(jīng)典力學(xué)就無能為力了。(　　)(5)洲際導(dǎo)彈的速度可達到6 000 m/s，在這種高速運動狀態(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(nèi)彌補了牛頓力學(xué)的局限性。關(guān)于牛頓力學(xué)，下列說法正確的是(　　)A．牛頓力學(xué)完全適用于宏觀低速運動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，但是并不會因為相對論和量子力學(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、機械鐘、光鐘和生物鐘。既然運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。
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
牛頓力學(xué)時空觀與相對論時空觀比較
　　　　　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．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2c
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。
1．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，壯壯的飛行速度為0.5c，強強向壯壯發(fā)出一束光進行聯(lián)絡(luò)，則壯壯觀測到該光束的傳播速度為(　　)A．0.4cB．0.5cC．0.9cD．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D正確。
粒子對撞機可以把質(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)子的運動規(guī)律？如何研究質(zhì)子的運動規(guī)律？提示：不適用。經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀低速運動，描述微觀高速粒子的運動要用到量子力學(xué)。
1．牛頓力學(xué)的成就牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運動定律，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)，而是認為牛頓力學(xué)是相對論在低速情況下的近似。
　　　　　(多選)20世紀(jì)以來，人們發(fā)現(xiàn)了一些新的事實，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動問題，不能用來處理高速運動問題；只適用于宏觀物體，一般不適用于微觀粒子。這說明(　　　)A．隨著認識的發(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)不斷擴展認識，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，人們只有不斷擴展自己的認識，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，只能認為過去的科學(xué)是新的科學(xué)在一定條件下的特殊情形。
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(　　)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．在物體高速運動時，物體的運動規(guī)律適用于相對論，在低速運動時，物體的運動規(guī)律適用于牛頓運動定律C．牛頓力學(xué)適用于宏觀物體的運動，也適用于微觀粒子的運動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，即只要速度遠遠小于光速，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；在物體高速運動時，物體的運動規(guī)律服從狹義相對論理論，在低速運動時，物體的運動服從牛頓定律，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。
易錯點：不能靈活運用相對論時空觀分析問題　　　　與相對論有關(guān)的問題，下列說法正確的是(　　)A．火箭內(nèi)有一時鐘，當(dāng)火箭高速運動后，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，不管桿如何運動，桿的長度均小于l0C．如果兩根平行的桿在沿自己的長度方向上做相對運動，則與它們一起運動的兩位觀察者都會認為對方的桿縮短了D．相對論只適用于高速運動(速度接近真空中的光速的運動)，不適用于低速運動
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動，與它們一起運動的兩位觀察者都認為對方的桿縮短了，C正確；相對論和牛頓力學(xué)在低速運動中的結(jié)論沒有區(qū)別，D錯誤。
1．(2021·江蘇南通市高一開學(xué)考試)下列運動中不能用經(jīng)典力學(xué)規(guī)律描述的是(　　)A．子彈的飛行B．粒子接近光速的運動C．人造衛(wèi)星繞地球運動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)星繞地球的運行、列車的運動，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)以下哪項屬于愛因斯坦對相對論提出的基本假設(shè)(　　)A．一條沿自身長度方向運動的桿，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．相對論認為時間和空間與物體的運動狀態(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，
你認為正確的是(　　)A．飛車不可能掙脫地心引力，除非飛車速度達到7.9 km/sB．飛車不可能掙脫地心引力，除非飛車速度能夠超過11.2 km/sC．若飛車速度足夠大，最終可以成為一顆繞地球運動且速度大于7.9 km/s的衛(wèi)星D．由牛頓運動定律可知，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A錯誤，B正確；第一宇宙速度7.9 km/h是繞地球做圓周運動的衛(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動且速度大于7.9 km/s的衛(wèi)星，選項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)的宏觀物體的運動規(guī)律；愛因斯坦既批判了牛頓力學(xué)的不足，又進一步發(fā)展了牛頓的經(jīng)典力學(xué)，創(chuàng)立了相對論，這說明(　　)A．世界無限擴大，人不可能認識世界，只能認識世界的一部分B．人的認識具有能動性，都能夠正確地反映客觀世界C．人對世界的每一個正確認識都有局限性，需要發(fā)展和深化D．每一個認識都可能被后人推翻，人不可能獲得正確的認識
解析：發(fā)現(xiàn)總是來自于認識的過程，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·麻城市實驗高級中學(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識，推動了科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和革命，促進了物質(zhì)生產(chǎn)的繁榮與人類文明的進步，下列表述正確的是(　 　)A．牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律B．牛頓通過實驗證實了萬有引力定律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)推進到高速領(lǐng)域

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5 相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性

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