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(共28张PPT)
5.相对论时空观与牛顿力学的局限性
01
02
03
高端教学引领
课前自主学习
课堂合作探究
课标准 素养目标
1.知道牛顿力学的局限性,体会人类对自然界的探索是不断深入的。 2.初步了解相对论时空观。 3.关注宇宙起源和演化的研究进展。 1.了解绝对时空观的缺点,形成初步的相对论时空观,从相对论时空观认识一些实际问题。(物理观念)
2.能区别绝对时空观和相对论时空观,理解相对论时空观的证据;知道质疑和创新的重要性。(科学思维)
3.从物理发展体会人类对自然界的探索是不断深入的过。(科学态度与责任)
01
高端教学引领
【教学建议】
1.相对论时空观:
任务 建议
相对论时空观 从历史发展的角度介绍绝对时空观的特点,再讲解在绝对时空中,牛顿运动定律遇到的困难,最后介绍相对论时空观的特点。
对于相对论和量子力学只介绍其基本观点和基本结论
2.牛顿力学的成就与局限性:
任务 建议
牛顿力学的成就与局限性 正确理解牛顿运动定律的伟大成就和局限性,从而理解物理理论的适用条件
【情境导引】
　　1900年,欧洲著名的科学家在英国皇家研究所欢聚一堂。会上,英国著名物理学家威廉·汤姆生(即开尔文男爵)发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说,物理大厦已经落成,所剩只是一些修饰工作。同时,他在展望20世纪物理学前景时,却若有所思地讲道:“现在,它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了。”
　　问题导引:
　　(1)人们利用牛顿运动定律,可以发射卫星,预测行星绕太阳运行的周期,那么牛顿运动定律任何情况下都可以应用吗
　　(2)相对论、量子力学的基本观点和基本结论是什么
02
课前自主学习
一、相对论时空观
任务驱动:一架飞机在上海杨浦大桥上空匀速飞过,飞机飞行向与大桥平
行,问飞机上的乘客看到的大桥长度与静止观察时相比有什么变化
提示:变短了。
1.爱因斯坦两个假设:
(1)在不同的惯性参考系中,物理规律的形式都是_____的。
(2)真空中的光速在不同的参考系中大小都是_____的。
相同
相同
2.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Δτ,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Δt,则Δt=。
由于1-()2<1,所以总有Δt>Δτ,此种情况称为时间延缓效应。
3.长度收缩效应:
如果与杆相对静止的人测得杆长是l0,沿着杆的向,以v相对杆运动的人测
得杆长是l,则l=__________。
由于1-()2<1,所以总有ll0
二、牛顿力学的成就与局限性
任务驱动:能根据牛顿运动定律研究原子中电子的运动吗
提示:不能。
1.牛顿力学的成就:从地面上物体的运动到天体的运动,都服从_________
的规律。
2.牛顿力学的局限性:
(1)微观世界:电子、质子、中子等微观粒子,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牛顿力学来说明。
(2)牛顿力学只适用于_____运动,不适用于_____运动。
牛顿力学
低速
高速
【易错辨析】
(1)在不同的惯性系中,光速是不同的。(　　)
(2)由于在任何惯性系中力学规律都是相同的,因此,研究力学问题时可以选择任何惯性系。(　　)
(3)按照经典时空观,某一事件的发展过,在不同的惯性系中观察,它们的时间间隔是相同的。(　　)
(4)接近光速的宇宙飞船的运动能用经典力学进行解释。(　　)
(5)空气中灰尘的运动能用经典力学进行解释。(　　)
提示:(1)×。根据光速不变原理,在不同的惯性系中,光速是相同的。
(2)√　(3)√　(4)×。接近光速的宇宙飞船的运动只能用相对论进行解释。(5)√
03
课堂合作探究
主题一　相对论时空观
【生活情境】
【问题探究】
(1)如图1所示子弹相对飞船速度是多少
提示:子弹相对于飞船速度为v1+v。
(2)如图2所示光相对飞船的速度是多少
提示:光相对于飞船速度仍然为c。实验现象表明,不论光源和观察者做怎样的相对运动,光速都是恒定的。
(3)在经典力学和狭义相对论中位移和时间的测量结果在不同参考系中有何区别
提示:在经典力学中,同一过的位移和时间的测量结果在不同参考系中是相同的;在狭义相对论中,同一过的位移和时间的测量结果在不同参考系中是不同的。
【结论生成】
1.经典时空观和相对论时空观:
项目 经典时空观 狭义相对论时空观
光速 相对的 绝对的(不变)
同时 绝对的 相对的
时间与空间 与运动无关,绝对的 与运动有关,相对的
2.爱因斯坦的狭义相对论重要结论:
时间、长度都与参考系的选择有关。
①同时是相对的。
②运动的时钟变慢(钟慢效应):运动时钟的“指针”行走的速率比时钟静止时的速率慢,这就是时钟变慢或时间膨胀效应,即Δt=。
③运动的尺子缩短(尺缩效应):如果以l0表示尺子的静止长度,l表示运动时的长度,v表示尺子在其长度向上运动的速度,则l=l0。
【典例示范】
假设某太空飞船的长度为L0=90 m,一站在地面上的观察者观察到该太空飞船相对自己沿太空飞船长度向以速度u=0.8c从正上飞过。则:
(1)地面上的观察者测量的太空飞船飞过该观察者的时间为多少
(2)太空飞船上的人测量的太空飞船飞过观察者的时间为多少
【解析】(1)地面上的观察者测量的太空飞船的长度为L=L0=54 m
地面上的观察者测量的太空飞船飞过该观察者的时间Δt==2.25×10-7 s
(2)太空飞船上的人测得太空飞船飞过观察者的时间为Δt'==3.75×10-7 s
答案:(1)2.25×10-7 s　(2)3.75×10-7 s
【探究训练】
1.(2025·潍坊高一检测)如图,一列火车以速度v相对地面运动,如果地面上的人测得,火车上某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁,下列说法错误的是(　　)
A.地面上的人看到的光速为c
B.火车上的人看到的光速也为c
C.光源在火车的正中间
D.光源在火车的中点偏向前的位置
√
【解析】选C。根据光速不变原理可知,地面上的人看到的光速为c,火车上的人看到的光速也为c,A、B正确;地面上的人测得,火车上某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁,说明在地面上的人看来,闪光所走的路是相等的,设光源到后壁的距离为L1,到前壁的距离为L2,汽车行驶时间为t,以地面为参考系,则有L1=ct+vt,L2=ct-vt,可得L1>L2,可知光源在火车的中点偏向前的位置,C错误,D正确。
2.仅考虑狭义相对论效应,在高速飞行的火箭里的时钟走过10 s,理论上在地面的观测者测得的时间 (　　)
A.大于10 s B.小于10 s
C.等于10 s D.都有可能
【解析】选A。由爱因斯坦相对论时空观有Δt=,由上述公式推理可知Δt>Δτ,所以在地面上观测者测得的时间大于10 s,故A正确。
√
主题二　牛顿力学的成就与局限性
【生活情境】
如图所示,粒子对撞机可以把质子加速到接近光速。
【问题探究】
(1)经典力学是否适用于质子的运动规律
提示:经典力学不适用于质子的运动规律。
(2)如何研究质子的运动规律
提示:经典力学只适用于宏观低速运动,描述微观高速粒子的运动要用到量子力学。
【结论生成】
经典力学与相对论、量子力学的比较
项目 经典力学 相对论、量子力学
形成时期 物理学形成的初期阶段,受历史发展限制,理论较肤浅、片面 形成于物理学充分发展的现代,理论较完善、科学
适用范围 低速运动、宏观世界,弱引力作用 任何情况都适用
速度的合成 时间与空间互不相干, 关系式v船岸=v船水+v水岸成立 速度与位移、时间的测量有关,
v船岸=v船水+v水岸不成立
项目 经典力学 相对论、量子力学
引力 规律 牛顿的万有引力定律认为物体间的引力符合“平反比”规律 爱因斯坦引力理论认为物体间的引力不完符合“平反比”规律
联系 (1)以下两种情况,相对论与经典力学的结论没有区别: ①物体的速度远小于光速c(3×108 m/s)时。 ②普朗克常量(6.63×10-34 J·s)可以忽不计时。 (2)相对论和量子力学都没有否定经典力学,经典力学是相对论、量子力学的特殊情况 【典例示范】
(2025·深圳高一检测)下列物理情景中,经典的牛顿力学不再适用的是(　　)
A.“高鸟黄云暮”中的运动
B.“卢水胡”部落中的骑马射箭、挥刀逐鹿
C.《三体》小说中的光速飞船
D.训练时,在空中的啦啦操队员
【解析】选C。经典的牛顿力学只适用于宏观低速物体,不适用于微观高速粒子的运动,则不适用于《三体》小说中的光速飞船的运动。故选C。
√
【探究训练】
(2025·亳州高一检测)牛顿创立了经典力学,揭示了包括行星在内的宏观物体的运动规律;爱因斯坦进一步发展了经典力学,创立了相对论。关于相对论时空观与牛顿力学的局限性,下列说法正确的是(　　)
A.相对论时空观认为运动的时钟会变快,运动的尺子会变长
B.相对论时空观认为在某参考系中同时发生的两件事,在
另一参考系看来不一定是同时的
C.经典力学不能适用于“天问一号”宇宙探测器在火星着陆
D.在经典力学中,物体的质量随运动状态改变而改变
√
【解析】选B。根据钟慢效应和尺缩效应,相对论时空观认为运动的时钟会变慢,运动的尺子会变短,故A错误;相对论时空观认为在某参考系中同时发生的两件事,在另一参考系看来不一定是同时的,故B正确;经典力学适用于宏观物体的低速运动,所以经典力学适用于“天问一号”宇宙探测器在火星着陆,故C错误;在经典力学中,物体运动状态改变时,物体的质量不变,故D错误。
【课堂回眸】5.相对论时空观与牛顿力学的局限性
课标准 素养目标
1.知道牛顿力学的局限性,体会人类对自然界的探索是不断深入的。 2.初步了解相对论时空观。 3.关注宇宙起源和演化的研究进展。 1.了解绝对时空观的缺点,形成初步的相对论时空观,从相对论时空观认识一些实际问题。 (物理观念) 2.能区别绝对时空观和相对论时空观,理解相对论时空观的证据;知道质疑和创新的重要性。 (科学思维) 3.从物理发展体会人类对自然界的探索是不断深入的过。 (科学态度与责任)
高端教学引领
【教学建议】
1.相对论时空观:
任务 建议
相对论时空观 从历史发展的角度介绍绝对时空观的特点,再讲解在绝对时空中,牛顿运动定律遇到的困难,最后介绍相对论时空观的特点。 对于相对论和量子力学只介绍其基本观点和基本结论
2.牛顿力学的成就与局限性:
任务 建议
牛顿力学的成就与局限性 正确理解牛顿运动定律的伟大成就和局限性,从而理解物理理论的适用条件
【情境导引】
　　1900年,欧洲著名的科学家在英国皇家研究所欢聚一堂。会上,英国著名物理学家威廉·汤姆生(即开尔文男爵)发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说,物理大厦已经落成,所剩只是一些修饰工作。同时,他在展望20世纪物理学前景时,却若有所思地讲道:“现在,它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了。”
　　问题导引:
　　(1)人们利用牛顿运动定律,可以发射卫星,预测行星绕太阳运行的周期,那么牛顿运动定律任何情况下都可以应用吗
　　(2)相对论、量子力学的基本观点和基本结论是什么
课前自主学习
一、相对论时空观
任务驱动:一架飞机在上海杨浦大桥上空匀速飞过,飞机飞行向与大桥平行,问飞机上的乘客看到的大桥长度与静止观察时相比有什么变化
提示:变短了。
1.爱因斯坦两个假设:
(1)在不同的惯性参考系中,物理规律的形式都是相同的。
(2)真空中的光速在不同的参考系中大小都是相同的。
2.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Δτ,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Δt,则Δt=。
由于1-()2<1,所以总有Δt>Δτ,此种情况称为时间延缓效应。
3.长度收缩效应:
如果与杆相对静止的人测得杆长是l0,沿着杆的向,以v相对杆运动的人测得杆长是l,则l=l0。
由于1-()2<1,所以总有l二、牛顿力学的成就与局限性
任务驱动:能根据牛顿运动定律研究原子中电子的运动吗
提示:不能。
1.牛顿力学的成就:从地面上物体的运动到天体的运动,都服从牛顿力学的规律。
2.牛顿力学的局限性:
(1)微观世界:电子、质子、中子等微观粒子,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牛顿力学来说明。
(2)牛顿力学只适用于低速运动,不适用于高速运动。
【易错辨析】
(1)在不同的惯性系中,光速是不同的。 (　　)
(2)由于在任何惯性系中力学规律都是相同的,因此,研究力学问题时可以选择任何惯性系。 (　　)
(3)按照经典时空观,某一事件的发展过,在不同的惯性系中观察,它们的时间间隔是相同的。(　　)
(4)接近光速的宇宙飞船的运动能用经典力学进行解释。 (　　)
(5)空气中灰尘的运动能用经典力学进行解释。 (　　)
提示:(1)×。根据光速不变原理,在不同的惯性系中,光速是相同的。
(2)√　(3)√　(4)×。接近光速的宇宙飞船的运动只能用相对论进行解释。(5)√
课堂合作探究
主题一　相对论时空观
【生活情境】
【问题探究】
(1)如图1所示子弹相对飞船速度是多少
提示:子弹相对于飞船速度为v1+v。
(2)如图2所示光相对飞船的速度是多少
提示:光相对于飞船速度仍然为c。实验现象表明,不论光源和观察者做怎样的相对运动,光速都是恒定的。
(3)在经典力学和狭义相对论中位移和时间的测量结果在不同参考系中有何区别
提示:在经典力学中,同一过的位移和时间的测量结果在不同参考系中是相同的;在狭义相对论中,同一过的位移和时间的测量结果在不同参考系中是不同的。
【结论生成】
1.经典时空观和相对论时空观:
项目 经典时空观 狭义相对论时空观
光速 相对的 绝对的(不变)
同时 绝对的 相对的
时间与空间 与运动无关,绝对的 与运动有关,相对的
2.爱因斯坦的狭义相对论重要结论:
时间、长度都与参考系的选择有关。
①同时是相对的。
②运动的时钟变慢(钟慢效应):运动时钟的“指针”行走的速率比时钟静止时的速率慢,这就是时钟变慢或时间膨胀效应,即Δt=。
③运动的尺子缩短(尺缩效应):如果以l0表示尺子的静止长度,l表示运动时的长度,v表示尺子在其长度向上运动的速度,则l=l0。
【典例示范】
假设某太空飞船的长度为L0=90 m,一站在地面上的观察者观察到该太空飞船相对自己沿太空飞船长度向以速度u=0.8c从正上飞过。则:
(1)地面上的观察者测量的太空飞船飞过该观察者的时间为多少
(2)太空飞船上的人测量的太空飞船飞过观察者的时间为多少
【解析】(1)地面上的观察者测量的太空飞船的长度为L=L0=54 m
地面上的观察者测量的太空飞船飞过该观察者的时间Δt==2.25×10-7 s
(2)太空飞船上的人测得太空飞船飞过观察者的时间为Δt'==3.75×10-7 s
答案:(1)2.25×10-7 s　(2)3.75×10-7 s
【探究训练】
1.(2025·潍坊高一检测)如图,一列火车以速度v相对地面运动,如果地面上的人测得,火车上某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁,下列说法错误的是 (　　)
A.地面上的人看到的光速为c
B.火车上的人看到的光速也为c
C.光源在火车的正中间
D.光源在火车的中点偏向前的位置
【解析】选C。根据光速不变原理可知,地面上的人看到的光速为c,火车上的人看到的光速也为c,A、B正确;地面上的人测得,火车上某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁,说明在地面上的人看来,闪光所走的路是相等的,设光源到后壁的距离为L1,到前壁的距离为L2,汽车行驶时间为t,以地面为参考系,则有L1=ct+vt,L2=ct-vt,可得L1>L2,可知光源在火车的中点偏向前的位置,C错误,D正确。
2.仅考虑狭义相对论效应,在高速飞行的火箭里的时钟走过10 s,理论上在地面的观测者测得的时间 (　　)
A.大于10 s B.小于10 s
C.等于10 s D.都有可能
【解析】选A。由爱因斯坦相对论时空观有Δt=,由上述公式推理可知Δt>Δτ,所以在地面上观测者测得的时间大于10 s,故A正确。
主题二　牛顿力学的成就与局限性
【生活情境】
如图所示,粒子对撞机可以把质子加速到接近光速。
【问题探究】
(1)经典力学是否适用于质子的运动规律
提示:经典力学不适用于质子的运动规律。
(2)如何研究质子的运动规律
提示:经典力学只适用于宏观低速运动,描述微观高速粒子的运动要用到量子力学。
【结论生成】
经典力学与相对论、量子力学的比较
项目 经典力学 相对论、量子力学
形成时期 物理学形成的初期阶段,受历史发展限制,理论较肤浅、片面 形成于物理学充分发展的现代,理论较完善、科学
适用范围 低速运动、宏观世界,弱引力作用 任何情况都适用
速度的合成 时间与空间互不相干,关系式v船岸=v船水+v水岸成立 速度与位移、时间的测量有关,v船岸=v船水+v水岸不成立
引力规律 牛顿的万有引力定律认为物体间的引力符合“平反比”规律 爱因斯坦引力理论认为物体间的引力不完符合“平反比”规律
联系 (1)以下两种情况,相对论与经典力学的结论没有区别: ①物体的速度远小于光速c(3×108 m/s)时。 ②普朗克常量(6.63×10-34 J·s)可以忽不计时。 (2)相对论和量子力学都没有否定经典力学,经典力学是相对论、量子力学的特殊情况
【典例示范】
(2025·深圳高一检测)下列物理情景中,经典的牛顿力学不再适用的是 (　　)
A.“高鸟黄云暮”中的运动
B.“卢水胡”部落中的骑马射箭、挥刀逐鹿
C.《三体》小说中的光速飞船
D.训练时,在空中的啦啦操队员
【解析】选C。经典的牛顿力学只适用于宏观低速物体,不适用于微观高速粒子的运动,则不适用于《三体》小说中的光速飞船的运动。故选C。
【探究训练】
(2025·亳州高一检测)牛顿创立了经典力学,揭示了包括行星在内的宏观物体的运动规律;爱因斯坦进一步发展了经典力学,创立了相对论。关于相对论时空观与牛顿力学的局限性,下列说法正确的是(　　)
A.相对论时空观认为运动的时钟会变快,运动的尺子会变长
B.相对论时空观认为在某参考系中同时发生的两件事,在另一参考系看来不一定是同时的
C.经典力学不能适用于“天问一号”宇宙探测器在火星着陆
D.在经典力学中,物体的质量随运动状态改变而改变
【解析】选B。根据钟慢效应和尺缩效应,相对论时空观认为运动的时钟会变慢,运动的尺子会变短,故A错误;相对论时空观认为在某参考系中同时发生的两件事,在另一参考系看来不一定是同时的,故B正确;经典力学适用于宏观物体的低速运动,所以经典力学适用于“天问一号”宇宙探测器在火星着陆,故C错误;在经典力学中,物体运动状态改变时,物体的质量不变,故D错误。
【课堂回眸】

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