高中物理人教版 (2019)必修 第二册第七章 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导学案及答案

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一、相对论时空观
地球绕太阳公转的速度是3×104 m/s，设在美国伊利诺斯州费米实验室的圆形粒子加速器可以把电子加速到0.999 999 999 987倍光速的速度，请思考：
(1)在狭义相对论中，地球的公转速度属于低速还是高速？被加速器加速后的电子的速度属于低速还是高速？
(2)在地面上校准的两只钟，一只留在地面上，一只随宇宙飞船遨游太空，隔一段时间飞船返回地面时，两只钟显示的时间相同吗？有什么差别？
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1．19世纪，物理学家________根据电磁场理论预言了电磁波的存在，并证明电磁波的传播速度________光速c。
2．1887年的迈克耳孙—莫雷实验以及其他一些实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度____________！这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系________。
3．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。
4．相对论时空观
(1)时间延缓效应
①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完成这个动作的时间间隔为Δt，那么两者之间的关系是Δt＝________。
②Δt与Δτ的关系总有Δt____Δτ(选填“>”“<”或“＝”)，即物理过程的快慢(时间进程)与运动状态______(填“有关”或“无关”)。
(2)长度收缩效应
①如果与杆相对静止的人测得杆长是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＝____________________________。
②l与l0的关系总有l____l0(选填“>”“<”或“＝”)，即运动物体的长度(空间距离)跟物体的运动状态________(填“无关”或“有关”)。
(1)运动的时钟显示的时间变慢，高速飞行的μ子的寿命变长。( )
(2)沿着杆的方向，相对于观察者运动的杆的长度变短。( )
例1 (2022·上海市第十中学高一期末)设某人在速度为0.5c的飞船上打开一个光源，(c为真空中传播的光速)则下列说法正确的是( )
A．飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.5c
B．飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5c
C．在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是eq \f(\r(5),2)c
D．在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c
例2 假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是( )
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
相对于地面以速度v高速运动的物体，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发生长度收缩效应现象。
例3 飞船以0.9c的速度做匀速直线运动(c为光在真空中的传播速度)，并向运动的反方向发出电磁波，甲在飞船内，乙在地球上，以下说法符合实际的是( )
A．甲、乙观察到飞船内时钟快慢一样
B．发出的电磁波相对于飞船的速度为1.9c
C．乙观察到飞船内桌子的长度比静止时短
D．乙观察到与飞船保持相对静止的桌子做匀加速直线运动
例4 话说有兄弟两个，哥哥乘坐宇宙飞船以接近光速的速度离开地球去遨游太空，经过一段时间返回地球，哥哥惊奇地发现弟弟比自己要苍老许多，则该现象的科学解释是( )
A．哥哥在太空中发生了基因突变，停止生长了
B．弟弟思念哥哥而加速生长
C．由相对论可知，物体速度越大，其时间进程越慢，生理进程也越慢
D．这是神话，科学无法解释
例5 一艘太空飞船静止时的长度为30 m，它以0.6c(c为真空中的光速)的速度沿长度方向飞行越过地球，下列说法正确的是( )
A．飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30 m
B．地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 m
C．飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于c
D．地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c
二、牛顿力学的成就与局限性
如图所示，质子束被加速到接近光速，牛顿力学适用于质子束的运动规律吗？
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1．牛顿力学的成就
(1)把天体的运动与地面上物体的运动统一起来，实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。
(2)在宏观、低速、弱引力的广阔区域，包括天体力学的研究中，经受了实践检验，取得了巨大成就。
(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。
2．牛顿力学的局限性
(1)物体在以接近光速运动时所遵从的规律，有些是与牛顿力学的结论并不相同的。
(2)在微观世界中(尺度在10－10 m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。
3．牛顿力学的适用范围
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。
4．低速与高速
(1)低速：通常所见物体的运动，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皆为低速运动的物体。
(2)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。
相对论和量子力学是不是否定了牛顿力学？ 说说你的看法。
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(1)相对论和量子力学的出现，说明经典力学已失去意义。( )
(2)原子中电子的运动能用经典力学进行解释。( )
(3)空气中灰尘的运动能用经典力学进行解释。( )
(4)牛顿力学只适用于世界上普通的物体，研究天体的运动牛顿力学就无能为力了。( )
(5)洲际导弹的速度可达到6 000 m/s，在这种高速运动状态下，牛顿力学不适用。( )
(6)对于质子、电子的运动情况，牛顿力学同样适用。( )
例6 (2022·绵阳市高一期末)关于牛顿力学理论，下述说法中正确的是( )
A．牛顿力学适用于宏观、低速、弱引力场
B．相对论和量子力学证明了牛顿力学是错误和过时的
C．牛顿力学认为时空是相对的
D．牛顿力学可以预言各种尺度下的运动
例7 (2022·广州市高一期末)下列运动中，不能用牛顿力学规律描述的是( )
A．子弹的飞行
B．粒子接近光速运动
C．“复兴号”动车从广州向北京奔驰
D．神舟十三号飞船绕地球运动
例8 (多选)(2022·太原市高一期末)以下说法正确的是( )
A．经典物理学家认为如果两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中也是同时的
B．对于宏观物体的低速运动问题，量子力学与牛顿力学的结论是一致的
C．牛顿力学不仅适用于宏观物体的低速运动，也适用于微观粒子的高速运动
D．相对论与量子力学否定了牛顿力学理论