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7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性
学习目标
1、理解狭义相对论的两个基本假设。
2、知道时间延缓效应和长度缩短效应。
3、认识经典力学的局限性和适用范围。
重点难点
1、狭义相对论的两个基本假设（重点）
2、了解时间延缓效应和长度收缩效应（重点）
3、经典力学与相对论力学、量子力学的理解（难点）
自主探究
1、相对论时空观
1、在不同的参考系中，光的传播速度都是________。
2、相对论的两个基本假设：在不同的_______________中，物理规律的形式都是相同的；真空中的____________在不同的惯性参考系中大小都是相同的。
3、时间延缓效应：如果相对于地面以v运动的惯性参考系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△τ，地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为△t,那么两者之间的关系是:
由于，所以总有，此种情况称为________________。
4、长度收缩效应：如果与杆相对静止的人测得杆长是，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：
由于，所以总有，此种情况称为_________________。
2、牛顿力学的成就与局限性
经典力学的巨大成就：
（1）从地面上物体的运动到天体的运动。
（2）从大气的流动到地壳的变动。
（3）从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械。
（4）从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动。
（5）从投出篮球到发射导弹、人造卫星、宇宙飞船……
探究思考
1、时间延缓效应和长度收缩效应
（1）时间延缓效应：假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶。车厢中央的光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁。车上的观察者以车厢为参考系，因为车厢是个惯性系，光向前、后传播的速率相同，光源又在车厢的中央，闪光当然会同时到达前后两壁(图甲)。
对于车下的观察者来说，他以地面为参考系，因闪光向前、后传播的速率对地面也是相同的，在闪光飞向两壁的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些。他观测到的结果应该是:闪光先到达后壁，后到达前壁(图乙)。因此，这两个事件不是同时发生的。
（2）长度收缩效应：与杆相对运动的人观察到的杆长l总小于与杆相对于静止的人观察到的杆长。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小。严格的数学推导还表明，在垂直于运动方向上，杆的长度没有变化。
这种长度的变短是相对的。如果两条平行的、相同的杆在沿自己的长度方向做相对运动，与它们一起运动的两位观察者都会认为对方的杆比自己的杆短一些。
【典例一】1、、两架飞机沿地面上一足球场的长轴方向在其上空高速飞过,且,两架飞机速度均接近光速,关于在飞机上的人观察结果,下列说法正确的是( )
A. 飞机上的人观察到足球场的长度比飞机上的人观察到的大
B. 飞机上的人观察到足球场的长度比飞机上的人观察到的小
C.两飞机上的人观察到足球场的长度相同
D.两飞机上的人观察到足球场的宽度相同
解题思路：由 (其中是足球场长轴的长度),可以看出,速度越大,长度越短,选项B正确,AC错误; 足球场的短轴与飞机速度方向垂直,所以两飞机上的人观察到足球场的宽度相同,D正确。
答案：BD
2、经典力学与相对论、量子力学的理解
1、牛顿运动定律的适用范围
宏观：能用通常方法测量与观察的物体。
低速：远小于光速的速度
弱引力:物体的半径远小于引力半径时物体之间存在的作用力。
2、高速、低速
低速:远小于光速的速度为低速，通常所见的物体的运动，如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体的运动皆为低速运动。
高速:有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近，这样的速度称为高速。
3、基于实验检验的牛顿力学不会被新的科学成就所否定，而是作为某些条件下的特殊情形，被包括在新的科学成就之中。当物体的运动速度远小于光速c时（c=3×m/s），相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别；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×J·s），量子力学和牛顿力学的结论没有区别。
【典例二】2、关于经典力学,下列说法正确的是( )
A.经典力学完全适用于宏观、低速运动
B.经典力学取得了巨大成就,是普遍适用的
C.随着物理学的发展,经典力学将逐渐成为过时的理论
D.由于相对论、量子力学的提出,经典力学已经失去了它的应用价值
解题思路：经典力学完全适用于宏观、低速运动的物体,宏观物体是相对于微观粒子而言的,故A正确;经典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,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,就否定了经典力学,经典力学仍然是正确的,不会过时,也不会失去价值,故C、D错误。
答案：A
随堂训练
1、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( )
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,把物理学推广到高速领域
答案：AD
2、经典力学的建立( )
A.标志着近代自然科学的诞生
B.实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合
C.确立了一切自然科学理论应有的基本特征
D.成为量子力学的基础
答案：ABC
3、下列说法中正确的是( )
A.在经典力学中,物体的质量不随运动状态而改变,在狭义相对论中,物体的质量也不随运动状态而改变
B.在经典力学中,物体的质量随运动速度的增加而减小,在狭义相对论中,物体的质量随物体速度的增大而增大
C.在经典力学中,物体的质量是不变的,在狭义相对论中,物体的质量随物体的速度的增大而增大
D.上述说法都是错误的
答案：C
4、爱因斯坦相对论的提出是物理学领域的一场重大革命,主要是因为( )
A.否定了经典力学的绝对时空观
B.揭示了时间、空间并非绝对不变的本质属性
C.打破了经典力学体系的局限性
D.使人类对客观世界的认识开始从宏观世界深入到微观世界
答案：BC
5、下列有关长度的相对性理解正确的是( )
A.经典物理学家认为物体的长度与物体是否相对观察者运动无关
B.当一直杆沿自身方向运动时长度变小
C.无论直杆沿什么方向运动,直杆的长度均不变
D.当两平行的直杆沿自身方向做相对运动时,则与两直杆共同运动的两观察者认为对方的直杆的长度没变
答案：AB
6、在地面附近有一高速飞过的火箭.关于地面上的人和火箭中的人观察到的现象中正确的是( )
A.地面上的人观察到火箭变短了,火箭上的时间进程变快了
B.地面上的人观察到火箭变短了,火箭上的时间进程变慢了
C.火箭上的人观察到火箭的长度和时间进程均无变化
D.火箭上的人看到地面物体长度变小,时间进程变慢了
答案：BCD
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