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5.相对论时空观与牛顿力学的局限性知识导图核心素养物理观念：惯性系的概念，经典时空观与相对论时空观．科学探究：查阅相对论时空观的验证资料，体会人类对自然界的探究是不断深入的．科学思维：经典理论与狭义相对论的区别．科学态度与责任：会利用相对论时空观解释与日常生活相关的时间和长度的相对性问题知识点一相对论时空观阅读教材第65～67页“相对论时空观”部分．1．经典相对性原理：表述一：力学规律在任何中都是相同的．表述二：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做运动．表述三：任何惯性系都是的．惯性系匀速直线平权2．狭义相对论的两个基本假设：(1)实验基础：不论光源与观测者做怎样的相对运动，光速都是．(2)两个基本假设.项目内容狭义相对性原理在不同的参考系中，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的一样的惯性相同3.时间和空间的相对性(1)时间延缓效应如果相对于地面以v运动的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完成这个动作的时间间隔为Δt，那么两者之间的关系是Δt＝由于1－vc21，所以总有ΔtΔτ，此种情况称为时间．惯性参考系同一地点Δτ1－vc2延缓效应(2)长度收缩效应如果与杆的人测得杆长是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＝由于1－vc21，所以总有ll0，此种情况称为长度．相对静止l01－vc2收缩效应牛顿运动定律能够成立的参考系，相对于某一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系，也是惯性系．图解：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．知识点二牛顿力学的成就与局限性阅读教材第68页“牛顿力学的成就与局限性”部分．1．牛顿力学的成就(1)从地面上物体的运动到的运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从自行车到汽车、火车、飞机等工具的运动，从投出篮球到发射、人造地球卫星、宇宙飞船……所有这些都服从牛顿力学的规律．(2)牛顿力学在如此广阔的领域里与实际相，显示了的正确性和牛顿力学的魅力．天体现代交通符合导弹牛顿运动定律2.牛顿力学的局限性(1)19世纪末和20世纪初，物理学研究深入到，发现了电子、、中子等微观粒子，而且发现它们不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用来说明．(2)20世纪20年代，建立了，它能够很好地描述运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用．微观世界质子牛顿力学量子力学微观粒子3．牛顿力学与相对论的关系(1)当物体的运动速度于光速c时(c＝3×108m/s)，相对论物理学与牛顿力学的结论区别；(2)当另一个重要常数即普朗克常量h可以忽略不计时(h＝6.63×10－34J·s)，和牛顿力学的结论没有区别．(3)相对论与量子力学都没有过去的科学，而只认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形．远小没有量子力学否定【知识辨析】(1)牛顿运动定律在任何情况下都成立．()(2)狭义相对论的两个基本假设仅仅是猜想而己，没有任何依据．()(3)相对性原理能简单而自然地解释电磁学的问题．()(4)在真空中，若物体以速度v背离光源运动，则光相对物体的速度为c－v.()(5)在狭义相对论中，同一物理过程发生的位移和对应时间的测量结果在不同的参考系中是不同的．()(6)一切惯性参考系中，测得的真空中的光速c是相同的．()××××√√像一切科学一样，牛顿力学没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性．它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交响曲”．学习任务一经典相对性原理与狭义相对性原理探究点1经典相对性原理(1)如何判断一个参考系是惯性参考系还是非惯性参考系？(2)运动的时钟变慢是不是因为时钟的构造因运动而发生了改变？(3)如何理解经典相对性原理？提示：(1)我们通常选大地是惯性参考系，相对于地面静止或做匀速运动的物体都是惯性参考系；相对于地面做变速运动的物体都是非惯性参考系．(2)运动的时钟变慢是在两个不同的惯性系中进行时间比较的一种效应，不是因为时钟的结构或精度因运动而发生了改变．(3)①惯性系：如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系叫作惯性系，相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系．②这里的力学规律是指“经典力学规律”．③本原理可以有不同表示，比如，在一个惯性系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动；或者说，任何惯性参考系都是平权的．探究点2狭义相对论的两个基本假设(1)光速不变已经被实验证实，为何仍叫“假设”呢？(2)如何理解光速不变原理？(3)伽利略的相对性原理与狭义相对性原理有什么不同？提示：(1)虽然实验表明了假设所说的内容，但这终归是有限的几次实验．只有从这两个假设出发，经过逻辑推理(包括数学推导)所提出的大量结论都与事实相符时，它们才能成为真正意义上的原理．(2)我们经常讲速度是相对的，参考系选取不同，速度也不同，这是经典力学中速度的概念，但是，1887年迈克耳孙—莫雷实验中证明的结论是：不论取怎么样的参考系，光速都是一样的，也就是说光速的大小与选取的参考系无关．光的速度是从麦克斯韦方程组中推导出来的，它没有任何前提条件，所以这个速度不是指相对某个参考系的速度．(3)伽利略的相对性原理认为力学规律在任何惯性系中是相同的；狭义相对性原理认为在不同惯性系中一切物理规律都是相同的．1．经典相对性原理与狭义相对论的相对性原理：(1)经典相对性原理的三种表述．①力学规律在任何惯性系中都是相同的．②在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动．③任何惯性参考系都是平权的．(2)狭义相对论的相对性原理：力学规律对惯性系来说都是相同的，但是光速是不变的．光速的大小与选取的参考系无关，在任何情况下，真空中的光速都是c.(3)光速不变原理．①真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的．②迈克耳孙——莫雷实验证明光速不变原理是正确的．2．对狭义相对论两个基本原理的理解：(1)物理规律不仅包括力学规律，还包括电磁学规律等其他所有的物理学规律．(2)真空中的光速不变指光的速度大小既不依赖于光源或观察者的运动而改变，也不依赖于光的传播方向的改变而改变．(3)几十年来科学家采用各种先进的物理技术测量光速，结果都不违背光速不变原理．(4)到目前为止，狭义相对论的两个基本假设的所有推论都与事实相符，证实了它们的正确性．【例1】在狭义相对论中，下列说法中正确的是()A．经典物理学可视为相对论在低速运动时的特例B．真空中光速在不同的惯性参考系中是不相同的C．在高速运动情况下，惯性参考系中的物理规律不一定相同D．狭义相对论全面否定了经典物理学【解析】相对论的出现，并没有否定经典物理学，经典物理学是相对论在低速运动条件下的特殊情形，故A正确，D错误；根据狭义相对论的光速不变原理，真空中光速在不同的惯性参考系中是相同的，故B错误；根据狭义相对论的相对性原理，物理规律在所有惯性系中都具有相同的形式，故C错误．故选A.【答案】A变式训练1(多选)通常我们把地球和相对地面静止或匀速运动的物体都可看成是惯性系，若以下列系统为参考系，则其中属于非惯性系的有()A．停在地面上的汽车B．绕地球做匀速圆周运动的飞船C．在大海上匀速直线航行的轮船D．进站时减速行驶的火车解析：相对地面静止或做匀速运动的物体都可以看成是惯性系，题中所给的四个对象，绕地球做匀速圆周运动的飞船的运动为变加速曲线运动，进站减速的火车的运动为变减速运动．答案：BD变式训练2如图所示，思考以下几个问题：(光速用c表示)(1)若参考系O′相对于参考系O静止，人看到的光速应是多少？(2)若参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动，人看到的光速应是多少？解析：根据狭义相对论的光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系．因此两种情况下，人观察到的光速都是c.答案：(1)c(2)c学习任务二时间延缓效应和长度收缩效应的理解探究点1“同时”的相对性、时间间隔的相对性(1)怎样理解“同时”的相对性？(2)怎样理解时间间隔的相对性？(3)以任何速度运动时间延缓效应都很显著吗？提示：(1)“同时”是指两个事件发生的时刻是相同的，“相同”是观察者得出的结论，不同的观察者观察到的结果是不相同的．(2)运动的时钟变慢：时钟相对于观察者静止时，走得快；相对于观察者运动时，观察者会看到它变慢了，运动速度越快，效果越明显，即运动着的时钟变慢了．Δt＝Δτ1－vc2.其中Δt为地面观察者测得的时间间隔，Δτ为相对观察者静止时测得的时间间隔．(3)不是．当v→c时，时间延缓效应显著；当v≪c时，时间延缓效应可忽略．探究点2长度的相对性、相对论的时空观(1)尺子沿任何方向运动其长度都缩短吗？(2)当发生动尺变短时如何计算其长度？(3)经典时空观与相对论时空观有什么区别？提示：(1)不是．尺子沿其长度方向运动时缩短，在垂直于运动方向长度不变．(2)由相对论长度公式l＝l01－vc2求解．(3)经典力学时空观：绝对的真实的数学时间，就其本质而言，是永远均匀地流逝，与任何外界事物无关；绝对空间就其本质而言，是与任何外界事物无关的，它从不运动，并且永远不变．经典力学时空观的几个具体结论：①同时的绝对性：在一个参考系中的观察者在某一时刻观测到两个事件，对另一参考系中的观察者来说是同时发生的，即同时性与观察者做匀速直线运动的状态无关．②时间间隔的绝对性：任何事件所经历的时间，在不同的参考系中测量都是相同的，而与参考系的运动无关．③空间距离的绝对性：如果各个参考系中用来测量长度的标准相同，那么空间两点的距离也就有绝对不变的量值，而与参考系的选择无关．相对论时空观：空间的大小、时间流逝的快慢都与物体运动的速度有关．1．相对性的四个方面(1)“同时”的相对性：“同时”不是绝对的，而是取决于观察者的运动状态．(2)长度的相对性：一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度短．(3)时间间隔的相对性：运动的时钟变慢．(4)相对论时空观：空间和时间与物体的运动状态有关．2．应用相对论效应解题的一般步骤(1)通过审题确定研究对象及研究对象的运动速度．(2)明确求解的问题即求解静止参考系中的观察结果还是运动参考系中的观察结果．(3)应用“尺缩效应公式”或“时间延缓效应公式”进行计算．【例2】长度测量与被测物体相对于观察者的运动有关，物体在运动方向上长度缩短了．一艘宇宙飞船的船身长为L0＝90m，相对地面以v＝0.8c的速度从一观测站的上空飞过．(1)观测站测得飞船的船身通过观测站的时间间隔是多少？(2)宇航员测得船身通过观测站的时间间隔是多少？【解析】(1)观测站测得船身的长度为：L＝L01－v2c2＝901－0.82m＝54m，通过观测站的时间间隔为：Δt＝Lv＝54m0.8c＝2.25×10－7s.(2)宇航员测得飞船船身通过观测站的时间间隔为：Δt′＝L0v＝90m0.8c＝3.75×10－7s.【答案】(1)2.25×10－7s(2)3.75×10－7s变式训练3世界上各式各样的钟：砂钟、电钟、机械钟、光钟和生物钟．既然运动可以使某一种钟变慢，它一定会使所有的钟都一样变慢．这种说法是()A．对的，对各种钟的影响必须相同B．不对，不一定对所有的钟的影响都一样C．A和B分别说明了两种情况下的影响D．以上说法全错解析：根据时间的相对性可知，选项A正确．答案：A变式训练4假设有一名考生用90分钟完成了一场考试，一艘飞船相对此考生以0.5c的速度匀速飞过(c为真空中的光速)，则飞船上的观察者认为此考生考完这场考试所用的时间()A．小于90分钟B．等于90分钟C．大于90分钟D．等于45分钟解析：根据Δt＝Δτ1－vc2可得Δt＝901－0.5cc2(分钟)