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(共35张PPT)
第七章　万有引力与宇宙航行
5.相对论时空观与牛顿力学的局限性
目标导航：1.知道爱因斯坦的两个假设，知道时间延缓效应和长度收缩效应.（物理 观念） 2.知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动.（物理观念） 3.通过课内与 课外阅读，知道相对论、量子力学和经典力学的关系，体会人类对自然界的探索是不 断深入的.（科学态度与责任）
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研习任务一
情境　导学
如图，高速运行的列车车厢，车顶上有一个反光镜，列车上一个人对着反光镜发 射一束光.
列车上的人和地面上的人观察到的光的往返时间是否相同？
提示：不同.
知识　梳理
1. 爱因斯坦假设
（1）在不同的 参考系中，物理规律的形式都是 的.
（2）真空中的 在不同的惯性参考系中大小都是 的.
2. 时间延缓效应
惯性　
相同　
光速　
相同　
惯性参考系　
＞　
3. 长度收缩效应
静止　
＜　
研习　经典
角度1　时间延缓效应
[典例1]如图所示，A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上，B、C分别放在以
速度vB和vC朝同一方向飞行的两枚火箭上，且vB＜vC. 地面上的观察者认为哪个时钟走
得最慢？哪个时钟走得最快？
[答案]　C时钟走得最慢　A时钟走得最快
A. 这个人是一个矮胖子
B. 这个人是一个瘦高个子
C. 这个人矮但不胖
D. 这个人瘦但不高
[解析]　取路旁的人为惯性参考系，车上的人相对于路旁的人高速运动，根据长度收 缩效应，人在运动方向上将变窄，但在垂直于运动方向上没有发生变化，故D正确.
D
相对于地面以速度v运动的物体，从地面上看：
（1）沿着运动方向上的长度变短了，速度越大，变短得越多.
（2）在垂直于运动方向上不产生长度收缩效应.
A. 8.76×104 h
B. 6.26×104 h
C. 12.27×104 h
D. 16.52×104 h
B
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研习任务二
情境　导学
粒子对撞机可以把质子加速到接近于光速，如图所示.经典力学是否适用于质子 的运动规律？如何研究质子的运动规律？
提示：不适用.经典力学只适用于宏观低速运动，描述微观粒子高速运动要用到 量子力学.
知识　梳理
1. 牛顿力学的成就
从地面上物体的运动到天体的运动，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、飞机等现代交通工具的运动，从投出篮球到发射导弹、人造地球卫 星、宇宙飞船……所有这些都服从 的规律.
2. 牛顿力学的局限性
（1）牛顿力学不适用于 运动.
牛顿力学　
高速　
牛
顿力学　
3. 牛顿力学的适用范围
只适用于 运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于 世界.
低速　
微观　
研习　经典
A. 经典力学和量子力学在宏观和微观领域都是适用的
B. 经典力学适用于低速运动的物体，相对论对高速和低速运动的物体都适用
C. 经典力学适用于宏观物体的运动，量子力学适用于微观粒子的运动
D. 相对论与量子力学否定了经典力学理论
[解析]　经典力学理论只适用于宏观、低速运动的物体，相对论和量子力学在任何情 况下都适用，故A错误，B、C正确；相对论和量子力学并不否定经典力学，经典力学 是相对论、量子力学在一定条件下的特殊情形，故D错误.
BC
　　（1）经典力学适用范围：宏观物体的低速运动.
（2）量子力学和相对论的适用范围：任何情况都适用.
（3）经典力学是相对论和量子力学的特殊情况，即宏观物体的低速运动情况.
A. 研究原子中电子的运动
B. 研究“神舟十一号”飞船的高速发射
C. 研究地球绕太阳的运动
D. 研究飞机从北京飞往纽约的航线
解析：牛顿力学属于经典力学的研究范畴，适用于宏观、低速运动的物体，注意低速 和高速的标准是相对于光速而言的，可判定牛顿运动定律适用于B、C、D中描述的运 动，而A不适用.
A
知识　构建
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课堂强研习 合作学习 精研重难
课后提素养
A. 0.4c B. 0.5c C. 0.9c D. c
解析：根据爱因斯坦相对论，在任何参考系中，光速不变，即光速不随光源和观察者 所在参考系的相对运动而改变，所以壮壮观测到该光束的传播速度为c，所以A、B、 C错误，D正确.
D
A. 子弹的飞行
B. 和谐号从深圳向广州飞驰
C. 人造卫星绕地球运动
D. 粒子接近光速的运动
解析：子弹的飞行、火车的运动及人造卫星绕地球的运动，都属于宏观、低速运动， 经典力学能适用.而粒子接近光速的运动，经典力学不适用，故选D.
D
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
C
A. 地面的观察者看到车尾已上桥
B. 地面的观察者看到车尾未上桥
C. 列车内的观察者看到车尾已上桥
D. 列车内的观察者看到车尾未上桥
解析：根据相对论，地面上的观察者看到的高速运动的列车比静止时更短，也就是比 静止的桥短，所以地面观察者看到车头刚通过这座桥时，车尾已上桥，A正确，B错 误；列车内观察者看到列车是静止的，列车长度不变，桥高速运动，桥变短了，所以 列车内观察者看到车头刚通过这座桥时，车尾在桥外（未上桥），C错误，故D正确.
AD
A. 牛顿力学适用于宏观、低速（远小于光速）运动的物体
B. 牛顿力学适用于微观、高速（接近光速）运动的粒子
C. 相对论和量子力学的出现，表明牛顿力学已被完全否定了
D. 牛顿力学在理论和实践上取得了巨大的成功，从地面到天体的运动都服从牛顿力 学的规律，因此任何情况下都适用
解析：牛顿力学只适用宏观、低速的物体，相对论和量子力学并没有否定牛顿力学， 而是认为牛顿力学是二者在一定条件下的特殊情况.故A正确.
A
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课时作业（十四）　相对论时空观与牛顿力学的局限性
[基础训练]
A. 自行车、汽车、火车、飞机等交通工具的运动
B. 发射导弹、人造卫星、宇宙飞船
C. 物体运动的速率接近于真空中的光速
D. 原子能量的不连续现象
解析：经典力学只适用于宏观、低速运动的范围，故A、B正确，C错误；原子能量的 不连续现象不能用经典力学规律解释，故D错误.
AB
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A. 在不同惯性系中，物理规律可能是不同的
B. 在不同惯性系中，光在真空中任何方向的传播速度均相同
C. 相对论时空观认为运动物体的长度与物体的运动状态无关
D. 相对论时空观认为物理过程的快慢与物体的运动状态有关
解析：根据相对论的两条假说，在不同的惯性系中，物理规律的形式都是相同的，在 不同惯性系中，光在真空中任何方向的传播速度都相等，故A错误，B正确；根据相 对论时空观可知C错误，D正确.
BD
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A. 爱因斯坦的狭义相对论认为运动的时钟变快
B. 狭义相对论认为一切物理规律对于所有惯性系都具有相同的形式
C. 在高速运动情况下，经典力学的规律仍然适用
D. 可以通过力学实验区分均匀引力场和一个做匀加速运动的参考系
解析：狭义相对论认为运动的时钟变慢，故A错误；狭义相对论认为所有惯性系是等 价的，一切物理规律在惯性系中都具有相同的形式，故B正确；在高速运动情况下， 经典力学的规律不再适用，故C错误；一个均匀引力场与一个做匀加速运动的参考系 等价，不能通过力学实验来区分，故D错误.
B
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A. 大于100分钟 B. 等于100分钟
C. 小于100分钟 D. 不能确定
A
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A. 在高速运动的火车车厢中央，光源同时向车厢前后两壁发出了一个闪光，地面上 的人看到闪光同时到车厢的前后壁
B. 在任何惯性参考系中，物体的运动速度都不能超过光速
C. 一条沿自身长度方向高速运动的杆，其长度总比杆静止时的长度大
D. 同样的两个事件，在不同的参考系中观测，时间间隔都相同
B
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A. 静止的观察者看到梭镖收缩变短，因此在某个位置，管子能完全遮住梭镖
B. 静止的观察者看到梭镖变长，因此在某个位置，梭镖从管子的两端伸出来
C. 静止的观察者看到两者的收缩量相等，因此在某个位置，管子仍恰好遮住梭镖
D. 相对梭镖静止的观察者看到管子变短，在某个位置，梭镖从管子的两端伸出来
解析：根据狭义相对论的尺缩效应，如果梭镖相对于观察者运动，那么梭镖收缩变 短，而管子长度不变，因此在某个位置，管子能完全遮住梭镖，选项A正确，B、C错 误；管子相对梭镖高速运动，由尺缩效应可知相对梭镖静止的观察者看到管子变短， 在某个位置，梭镖从管子的两端伸出来，选项D正确.
AD
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[能力提升]
7. 甲、乙两人站在地面上时身高都是L0，甲、乙分别乘坐速度为0.6c和0.8c（c为光 速）的飞船同向运动，如图所示.此时乙观测到甲的身高L 　L0；若甲向乙挥 手，动作时间为t0，乙观测到甲动作时间为t1，则t1 　t0.（均填“＞”“＝”或 “＜”）
解析：在垂直于运动方向上观测长度不变，则有L＝L0；根据相对论的时间延缓效应 可知，乙观测到甲的动作时间变长，即t1＞t0.
＝
＞
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8. 研究高空宇宙射线时，发现了一种不稳定的粒子，称为介子，质量约为电子质量 的273倍，它带有一个电子电荷量的正电荷或负电荷，称为π＋或π－.若参考系中π±介 子处于静止，它们的平均寿命为τ＝2.56×10－8 s，设π±介子以0.9c的速率运动，电子 的质量为9.1×10－31 kg，求：
（1）在实验室参考系中观测到该粒子的平均寿命；
答案：5.87×10－8 s
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（2）在实验室参考系中观测到该粒子运动的平均距离.
答案：15.849 m
解析：平均距离d＝vτ＝0.9×3×108×5.87×10－8 m＝15.849 m.
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