《75 相对论时空观与牛顿力学的局限性》学案Word文档下载推荐.docx

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生活经验让我们体会到，时间像一条看不见的“长河”，均匀地自行流逝着，空间像一个广阔无边的房间，它们都不影响物体及其运动。

也就是说，时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的。

这种绝对时空观，也叫牛顿力学时空观。

1.牛顿力学与电磁理论的冲突

十九世纪，英国科学家麦克斯韦，提出了电磁场理论，预言了电磁波的存在，并从理论上证明了，电磁波传播的速度等于光速。

人们不禁要问：

这个速度是相对哪个参考系而言的呢？

但在迈克尔逊和莫雷实验事实的面前，许多物理学家，仍然立足在牛顿力学时空观的基础上，想通过一些理论上的修补工作，解释实验现象。

但是都没有成功，这导致牛顿力学与电磁理论的冲突。

以爱因斯坦和庞加莱为代表的另一批物理学家，坚决主张，彻底放弃某些与实验事实不相符的观念，如绝对时间的观念，在实验事实的基础上，大胆提出，能够更好地解释实验现象的假设。

物体的质量随速度的增大而增大

随着物体速度的加快，时间会变慢。

将一个钟表留在地面上，而携带另一个以很快速度移动，随后进行比较，地上的钟表总比快速移动的快。

物体以接近光速运行时所表现出的长度会比它静止时更短。

爱因斯坦指出，任何物体以光速运动时，其长度将会缩短为零。

、

由上面两个式子可以知道，运动物体的长度（空间距离）和物理过程的快慢（时间进程）都跟物体运动状态有关。

这个结论具有革命性的意义，它反映的时空观称作相对论时空观。

有一种基本粒子叫μ子，当它低速运动时，它的平均寿命是3.0μs，当μ子以0.99c的速度飞行时，若选μ子为参考系，μ子的平均寿命是多少？

若以地面为参考系，μ子的平均寿命是多少？

事实上，到达地面的μ子，大多产生于距地面8km的高空，科学家们根据经典理论，可以计算出每秒到达地面的μ子个数。

但这个理论数值小于实际观察到μ子个数。

这是为什么呢？

相对论时空的验证实验

将铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东和向西绕地球一周，回到原处后，分别比静止在地面上的钟慢59纳秒和快273纳秒。

实验结果与理论预言符合的很好。

这是相对论的第一次宏观验证。

二、牛顿力学的成就与局限性

1.牛顿力学的成就

牛顿力学的诞生开创了人类科技文明的新纪元，为工业革命和现代生活奠定了基础。

从地面上物体的运动到天体运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从普通的交通工具到发射人造卫星和宇宙飞船.....

所有这些都符合牛顿力学的规律。

牛顿力学在如此广泛的领域里与事实相符合，显示出牛顿力学的正确性和无限魅力。

牛顿主要贡献

经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更确立了牛顿的地位，牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域，经受实践检验。

杨振宁曾赞颂到：

“如果一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛顿《自然哲学的数学原理》在1687年出版的那一天。

”

2.牛顿力学的成就

（1）实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。

（2）确定了自然科学应有的基本特征。

（3）将“实验和数学”相结合的方法推广到物理学的各个分支，形成了完整的经典力学体系。

19世纪末-20世纪初，深入到微观领域，发现电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性，很多情况下经典力学说明不了。

和所有的真理一样，牛顿力学也具有局限性。

3.牛顿力学的局限性

牛顿力学只适用于低速运动，不适用于高速运动；

只适用于宏观世界，不适用于微观世界；

只适用于弱引力情况，不适用于强引力情况。

在微观世界中（尺度在10-10m以下），由于物质的存在和运动形式（波粒二象性），较宏观世界，有较大的不同,牛顿力学也不适用。

【课堂检测】

1、关于经典力学，下列说法中正确的是（　　）

A．相对论与量子力学否定了经典力学理论

B．经典力学可以解决自然界中所有的问题

C．经典力学适用于微观领域质子、电子的运动

D．经典力学适用于发射的导弹、人造卫星、宇宙飞船的运动

2.关于狭义相对论，下列说法不正确的是（　　）

A．狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的

B．狭义相对论认为在一切惯性系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关

C．狭义相对论只涉及无加速度运动的惯性系

D．狭义相对论任何情况下都适用

3.有两个惯性参考系1和2，彼此相对做匀速直线运动，下列叙述正确的是（　　）

A．在参考系1看来，2中的所有物理过程都变快了；

在参考系2看来，1中的所有物理过程都变慢了

B．在参考系1看来，2中的所有物理过程都变快了；

在参考系2看来，1中的所有物理过程也变快了

C．在参考系1看来，2中的所有物理过程都变慢了；

在参考系2看来，1中的所有物理过程都变快了

D．在参考系1看来，2中的所有物理过程都变慢了；

在参考系2看来，1中的所有物理过程也变慢了

【达标训练】

一、单选题

1.经典力学不能适用于下列哪些运动的研究 

A.火箭的发射B.宇宙飞船绕地球的运动

C.“勇气号”宇宙探测器的运动D.以倍光速运行的电子束

2.2017年10月3日，瑞典皇家科学院将2017年诺贝尔物理学奖授予了三位美国科学家，以表彰他们对LIGO探测装置的决定性贡献．引力波是爱因斯坦相对论的最后一块缺失的“拼图”，相对论在一定范围内弥补了牛顿力学的局限性．关于牛顿力学，下列说法正确的是

A.牛顿力学完全适用于宏观低速运动

B.牛顿力学取得了巨大成就，是普遍适用的

C.随着物理学的发展，牛顿力学将逐渐成为过时的理论

D.由于相对论、量子论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值

3.如下图所示，a、b、c为三个完全相同的时钟，a放在水平地面上，b、c分别放在以速度、向同一方向飞行的两枚火箭上，且，则地面的观察者认为走得最慢的钟为 

A.aB.bC.cD.无法确定

4.经典力学规律不适用于下列运动的是

A.子弹的飞行B.飞船绕地球的运行

C.列车的运行D.粒子接近光速的运动

5.下列说法符合史实的是

A.开普勒在牛顿定律的基础上，总结出了行星运动的规律

B.卡文迪许第一次在实验室里测出了万有引力常量

C.牛顿建立的经典力学可以解决自然界中所有的问题

D.“和谐号”动车组高速行驶时，在地面上测得的其车厢长度明显变短

6.下列说法正确的是

A.牛顿定律适合于解决宏观、低速的物体运动问题

B.在真空中相对于不同的惯性参考系光速是不同的

C.在高速运动的列车中的钟表比静止在地面上的钟表走的快

D.在地面观察高速行进的列车时，测其长度会比它静止时的长度大

7.下列说法中正确的是

A.牛顿运动定律就是牛顿力学

B.牛顿力学的基础是牛顿运动定律

C.牛顿运动定律可以解决自然界中的所有问题

D.牛顿力学可以解决自然界中的所有问题

8.在一个高速旋转的巨大转盘上放置三个完全相同的时钟，a放在转轴处，b放在中间，c放在边缘处，如下图所示．对于地面上的观察者，根据相对论认为三个时钟的快慢情况，下列说法正确的是

A.a钟最快，b、c钟一样慢B.a钟最慢，b、c钟一样快

C.a钟最快，c钟最慢D.a钟最慢，c钟最快

二、多选题

9.多选年6月16日，来自中国的“墨子号”量子卫星从太空发出两道红色的光射向青海德令哈站与千里外的云南丽江高美古站，首次实现了人类历史上第一次距离达“千公里级”的量子密钥分发．下列说法正确的是

A.经典力学适用于“墨子号”绕地球运动的规律

B.经典力学适用于光子的运动规律

C.量子力学可以描述“墨子号”发出两道红光的运动规律

D.量子力学的发现说明经典力学已经失去了应用价值

三、简答题（本大题共1小题，共3.0分）

一列速度接近光速的火车静止时的长度比隧道的长度大经过隧道时，站在地面上的人还看到两个闪电同时击中隧道的两端，但由于“动尺变短”效应，站在隧道旁边的人看到火车完全进入了隧道，刚好不会被闪电击中。

但是，站在车上的人看到的却是隧道变得更短，不可能完全遮住整列火车，那么他看到的闪电会不会击中火车呢？

参考答案

1.D2.B3.D

1.D【解析】火箭的发射、宇宙飞船绕地球的运动、宇宙探测器的运动都属低速，经典力学能适用。

对于高速微观的情形经典力学不适用，故对以倍光速运行的电子束不适用；

故选D。

2.A【解析】于宏观低速运动的物体，故A正确；

B.牛顿力学取得了巨大的成就，但它也具有一定的局限性，并不是普遍适用的，在微观高速情况下，要用量子力学和相对论来解释，但是并不会因为相对论和量子力学的出现，就否定了牛顿力学取得了巨大的成就，故B错误；

在微观高速情况下，要用量子力学和相对论来解释，但是并不会因为相对论和量子力学的出现，就否定了牛顿力学，牛顿力学在其适用范围内仍然是正确的，故不会过时也不会失去应用价值，故CD错误。

故选A。

3.C【解析】如题图所示，地面上的观察者认为C钟走得最慢，因为它相对于观察者的速度最大，根据公式

可知，相对于观察者的速度v越大，其上的时间进程越慢，所以c走的最慢。

地面上的钟a的速度，它所记录的两事件的时间间隔最大，即地面上的钟走得最快。

故C正确，ABD错误。

故选C。

4.D【解析】解：

A、B、C、经典力学的适用范围是宏观、低速情形，子弹的飞行、飞船绕地球的运行、列车的运动，经典力学能适用。

故ABC错误；

D、粒子接近光速的运动，对于微观的情形经典力学不适用。

故D正确。

故选：

D。

经典力学的适用范围是宏观、低速情形，高速情形要用相对论，微观粒子运动要用量子力学．电子及电子以下中子，质子，原子，离子，分子是实物粒子都可以认为是微观粒子；

微观粒子不适用于经典力学．

5.B【解析】A.开普勒在他的导师第谷天文观测数据的基础上，总结出了行星运动的规律，但并未找出了行星按照这些规律运动的原因；

牛顿在开普勒行星运动定律的基础上推导出万有引力定律，故A错误；

B.卡文迪许第一次在实验室里测出了万有引力常量，故B正确；

C.牛顿运动定律不适用于微观高速物体，故C错误；

D.“和谐号”动车组高速行驶时，其速度远远小于光速，则不会出现沿车厢长度明显变短的现象，故D错误。

故选B。

6.A【解析】

A.牛顿定律是经典物理学的基础，仅适用于低速、宏观领域，故A正确；

B.根据狭义相对论可知，在所有的惯性系中，光在真空中的传播速率具有相同的值c，这叫光速不变原理，故B错误；

C. 

根据狭义相对论的钟慢效应可知，在高速运动的列车中的钟表比静止在地面上的钟表走的慢，故C错误；

D.根据狭义相对论的尺缩效应可知，在地面观察高速行进的列车时，测其长度会比它静止时的长度小，故D错误。

7.B【解析】牛顿力学并不等同于牛顿运动定律，牛顿运动定律只是牛顿力学的基础，A错误，B正确；