高中物理必修第二册第五章 牛顿力学的局限性与相对论初步
高中物理必修第二册第五章 牛顿力学的局限性与相对论初步
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 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 解析：相对论与量子力学并没有否定经典力学，而是 在其基础上发展起来的，有各自成立范围，A 错误；经典 力学只能解决宏观低速物体，对于微观高速物体不再适 用，B、C 错误；经典力学适用于宏观低速物体，适用于 发射的导弹、人造卫星、宇宙飞船的运动，D 正确. 答案：D
第五章 牛顿力学的局限性与相对论初步
第一节 牛顿力学的成就与局限性
第二节 相对论时空观
第三节 宇宙起源和演化
学习目标
1.了解经典力学的发展历 程和伟大成就. 2.知道经典力学的局限性 和适用范围. 3.了解经典时空观及其基 本推论. 4.了解狭义相对论的理论 基础与相对论时空观的几 个推论. 5.了解宇宙的起源和演化
答案：C
探究二 对相对论中“两个基本原理”和“相对论效应” 的理解
两个基本原理. （1）相对性原理：所有物理规律在一切惯性参考系 中都具有相同的形式，表明在任何惯性系中研究某个物 体的某一运动过程，其运动规律的形式不变. （2）光速不变原理：在一切惯性参考系中，测量到 的真空中的光速 c 都一样，表明了经典时空观与相对论时 空观的不同，比较如下：
（2）伽利略相对性原理. 在所有的惯性参考系中，力学规律都具有相同的形 式，这一结论被称为伽利略相对性原理. （3）牛顿的绝对时空观. 绝对的、真实的和数学的时间，由其特性决定自身均 匀地流逝着，而与一切外界事物无关.绝对空间的自身特 性与任何外界事物无关，它处处均匀，永不移动. 2.牛顿力学的成就. （1）牛顿力学把宇宙中的天体和地面上的物体的运 动统一起来，从力学上证明了自然界多样性的统一，实
高中物理必修二 新教材 讲义 第5节 相对论时空观与牛顿力学的局限性
第5节相对论时空观与牛顿力学的局限性学习目标要求核心素养和关键能力1.感受牛顿力学在高速世界与事实的矛盾，知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。
2.知道爱因斯坦狭义相对论的基本假设，知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。
3.关注宇宙起源和演化的研究进展。
1.核心素养(1)爱因斯坦相对论，会用相对论时空观对现实中一些物理现象加以解释。
(2)了解时间延缓效应和长度收缩效应的推理过程。
2.关键能力质疑与实验论证。
知识点一相对论时空观如图，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。
思考：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❶电磁波与光速英国物理学家麦克斯韦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等于光速。
1887年的迈克耳孙—莫雷实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的。
❷爱因斯坦假设 (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惯性参考系中大小都是相同的。
❸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完成这个动作的时间间隔为Δt ，那么两者之间的关系是Δt ＝Δτ1－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2由于物体的速度不可能达到光速，所以1－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2<1，总有Δt >Δτ，此种情况称为时间延缓效应。
❹长度收缩效应如果与杆相对静止的人测得杆长是l 0，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 ＝l 01－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2 由于1－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2<1，所以总有l <l 0，此种情况称为长度收缩效应。
❺相对论时空观：运动物体的长度(空间距离)和物理过程的快慢(时间进程)都跟物体的运动状态有关。
1.时间延缓效应的理伦依据是光速不变原理。
人教新课标高中物理必修二5.相对论时空观与牛顿力学的局限性课件
典题剖析
典题剖析
例1 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( D )
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
典题剖析
例2 (多选)关于经典力学、狭义相对论和量子力学，下列说法正确的是 ( BC)
一、相对论时空观
已知μ子低速运动的平均寿命为3.0 μs。有文献报道从1981 m的高山上测 得563个μ子，μ子下降的速率为0.99c，在海平面几乎全部测到这些μ子。
μ子在其寿命期间下降的高度为h=3.0 μs×0.99c=891 m。即在海平面应该 探测不到这些μ子，为什么会出现这种现象？
以地面为参考系，μ子的寿命为
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，那么两者之间的关系是
t
1 (v )2 c
由于v<c，所以总有Δt >Δτ，此种情况称为时间延缓效应。
一、相对论时空观
长度收缩效应
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
新课引入
新课引入
新课引入
以光速远离时钟塔看时钟塔上的指针是怎样的？ 实验上时钟塔的指针应是怎样的？
内容讲解
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 一、相对论时空观
电磁波的 预言
疑问
实验
19 世 纪 ， 英 国 物理学家麦克斯韦根 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 等于光速c。
再见
2
光速不变原理
统编人教版高中物理必修第二册《5 相对论时空观与牛顿力学的局限性》优质课公开课课件、教案
统编人教版高中物理必修第二册《5 相对论时空观与牛顿力学的局限性》优质课公开课课件、教案5．相对论时空观与牛顿力学的局限性1．了解牛顿力学时空观，初步了解相对论时空观。
2．了解时间延缓效应和长度收缩效应。
3．认识牛顿力学的成就和局限性。
1.相对论时空观(1)绝对时空观：时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的，也叫牛顿力学时空观。
(2)爱因斯坦的两个假设：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。
(3)同时的相对性：根据爱因斯坦的假设，如果两个事件在一个参考系中是同时的，但在另一个参考系中不一定是同时的。
(4)爱因斯坦假设的结果①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，那么两者之间的关系是所以总有②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所以总有(5)相对论时空观：运动物体的长度(空间距离)和物理过程的快慢(时间进程)都跟物体的运动状态有关。
2．牛顿力学的成就与局限性牛顿力学的基础是牛顿运动定律。
牛顿力学在宏观、低速的广阔领域里与实际相符，显示了牛顿运动定律的正确性和牛顿力学的魅力。
(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，它们的运动规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明，而量子力学能够很好地描述微观粒子运动的规律。
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，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，量子力学和牛顿力学的结论没有区别。
教科版高中物理必修第二册精品课件 第五章经典力学的局限性与相对论初步 本章整合
运动速度远小于光速,这种效应不用考虑。
本 课 结 束
=
0
2
1- 2
2
= 0 1- 2
0
=
相对论质量和能量
2
1- 2
广义相对论→广义相对性原理和等效原理
宇宙的起源和演化→大爆炸理论、宇宙的未来
重点题型 归纳剖析
一
尺缩效应
运动长度 l 会收缩,l=l0
2
1- 2 ,l
为沿运动方向观测到的物体长度,l0 为物体
静止时观测到的长度,在垂直于运动方向上,物体的长度没有变化。
D.通常由于物体的运动速度太小,故质量的变化引不起我们的感觉,在分
析地球上物体的运动时,不必考虑质量的变化
答案：ACD
解析：根据公式可得A正确;由公式可知,c≫v时,物体质量基本不变,只有
当v接近c时,质量才发生较大变化,故B错误,C、D正确。
方法归纳 在相对论中,物体的质量不再是不变的量,而是随着速度v的增
上这是在不同参考系中对时间的观测效应。
(2)运动时钟变慢完全是相对的,在两个惯性参考系中的观测者都将发现
对方的钟变慢了。
三
质速关系
0
物体的质量m随速度v的增大而变大,m=
运动时的质量。
2
1- 2
,
,m0为静止时的质量,m为
0
【例题3】 (多选)对于公式m=
2
1- 2
,
,下列说法正确的是(
面的观察者认为走得最慢的钟为(
A.a
B.b
C.c
D.无法确定
教科版高中物理必修第二册课后习题 第五章 经典力学的局限性与相对论初步 第四、五章测评
第四、五章测评(时间:75分钟满分:100分)一、单项选择题(本题共7小题,每小题4分,共28分。
在每小题给出的四个选项中,只有一项是符合题目要求的)1.下列描述的运动,牛顿运动定律不适用的是( A )A.研究原子中电子的运动B.研究“神舟十四号”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,并注意到低速和高速的标准是相对于光速,可判定牛顿运动定律适用于B、C、D中描述的运动,故选A。
2.(山东德州高一期末)如图所示,一质量为m的小滑块(可视为质点)从斜面上的P点由静止下滑,在水平面上滑行至Q点停止运动。
已知P点离水平面高度为h,小滑块经过斜面与水平面连接处时无机械能损失,重力加速度为g。
为使小滑块由Q点静止出发沿原路返回到达P点,需对小滑块施加一个始终与运动方向相同的拉力,则拉力至少对小滑块做功为( B )A.mghB.2mghC.2.5mghD.3mgh,设小滑块由P点到Q点,摩擦力做功为W,由动能定理有mgh+W=0,设小滑块由Q点到P点,拉力做功为W1,由动能定理有W1+W-mgh=0,联立解得W1=2mgh,故选B。
3.有一把长为L的尺子竖直放置,现让这把尺子沿水平方向以接近光的速度运行,运行过程中尺子始终保持竖直,那么我们此时再测量该尺子的长度将( C )A.大于LB.小于LC.等于LD.无法测量的,现在尺子在竖直方向没发生高速运动,由此可知它的长度将不变,故选项C正确。
4.(江苏淮安高一期末)如图所示,两个完全相同的小球P、Q分别与轻弹簧两端固定连接,开始时弹簧处于压缩状态。
某时刻将P、Q从距地面高h 处同时释放,下落到地面时P、Q间的距离等于释放时的距离,不计空气阻力,重力加速度为g,则( D )A.下落过程中P的机械能保持不变B.下落过程中P、Q的总机械能保持不变C.小球P落至地面时的速度v<√2ghD.当小球P的加速度最大时,P、Q的总机械能最小,P、Q组成的系统仅受到竖直向下的重力和弹力作用,系统机械能守恒;小球P除受重力外,还受弹簧弹力作用,所以下落过程中P的机械能不守恒,故A错误。
7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性(教学设计)高一物理(人教版2019必修第二册)
第5节相对论时空观与牛顿力学的局限性教学设计一、相对论时空观1.牛顿力学与电磁波理论遇到了怎样的矛盾和冲突(1)英国物理学家麦克斯韦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等于光速。
(2)1887年迈克耳孙——莫雷实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的。
(3)按照绝对时空观,光的传播速度与参考系的选取有关,而实验测得光的传播速度与参考系的选取无关,二者有矛盾。
2.爱因斯坦的假设(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惯性参考系中大小都是相同的。
思考与讨论：如果你接受了爱因斯坦的两个假设，假设一列火车沿平直轨道飞快的地匀速行驶，车厢中央的光源发出了一个闪光，那么在车上的人和在车下的人，看到闪光照到车厢前壁和后壁这两个时间是否都是同时发生的呢？3.时间的延缓效应如果相当于地面以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2)(1cv t -∆=∆τ。
由于1)(12<-c v ，所以总有Δt>Δτ，此种情况称为时间延缓效应。
思考与讨论：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 ，那么两者之间存在怎样的关系？4.长度收缩效应(1)长度收缩效应：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变小。
(2)长度变换公式：20)(1cvl - 思考与讨论：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？【相对论时空观的第一次验证】相对论时空观的第一次宏观验证是在 1971 年进行的。
当时在地面上将四只铯原子钟调整同步，然后把它们分别放在两架喷气式飞机上做环球飞行，一架向东飞，另一架向西飞。
人教版(新教材)高中物理必修2：第5节 相对论时空观与牛顿力学的局限性ppt课件
2.经典力学的局限性及适用范围 (1)经典力学适用于低速运动的物体，相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循 的规律。 (2)经典力学适用于宏观世界；量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律。
一、相对论时空观 1.电磁波与光速
英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了__电__磁__波__的存在，并证明电磁波 的传播速度等于__光__速__。1887年迈克耳孙——莫雷实验表明：在不同的参考系 中，光的传播速度都是_一___样__的。
2.爱因斯坦假设 (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__在不同的惯性参考系中大小都是__相__同__的。
3.牛顿力学的适用范围 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。
探究1 相对论时空观
1.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。
2.相对论的两个效应
(1)时间延缓效应：运动时钟会变慢，即 Δt＝
1－Δ（τ vc）2。
(2)长度收缩效应：运动长度会收缩，即 l＝l0 1－（vc）2。
3.对于低速运动的物体，相对论效应可以忽略不计，一般用经典力学规律来处理；
对于高速运动问题，经典力学不再适用，需要用相对论知识来处理。
【例1】 (多选)关于相对论时空观的说法，正确的是( )
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A级合格达标
1.关于经典力学的建立，下列说法中不正确的是（）
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
解析：经典力学实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合，并提出了一切自然科学理论应有的基本特征，形成了由实验到数学推导这种行之有效的研究方法，并与其他基础科学结合，产生了一些交叉性的分支科学.经典力学曾经推动了我们这个社会的巨大进步，并仍会在相当长时间内指导我们的科学研究.
答案：D
2.经典力学有一定的局限性和适用范围.下列运动适合用经典力学研究和解释的是（）
A.氢原子内电子的运动
B.飞船绕月球做圆周运动
C.密度很大的中子星附近物体的运动
D.宇宙探测器以接近光速的速度远离地球的运动
解析：氢原子内电子已经不属于宏观物体，所以不适用于经典力学，故A错误；飞船绕月球做圆周运动是在弱引力场中的运动且运动速度远小于光速，所以适用于经典力学，故B正确；密度很大的
中子星附近产生了强引力场，故不适用于经典力学，故C错误；速度接近光速的运动不适用于经典力学，故D错误.
答案：B
3.牛顿把天体运动与地上物体的运动统一起来，创立了经典力学.随着近代物理学的发展，科学实验发现了许多经典力学无法解释的事实.关于经典力学的局限性，下列说法正确的是（）
A.火车提速后，有关速度问题不能用经典力学来处理
B.由于经典力学有局限性，所以一般力学问题都用相对论来解决
C.经典力学适用于宏观、低速运动的物体
D.经典力学只适用于像地球和太阳那样大的宏观物体
解析：火车提速后的速度仍然远小于光速，有关速度问题仍然能用经典力学来处理，A错误.相对论并没有否定经典力学，而是在其基础上发展起来的，有各自成立范围；经典力学是狭义相对论在低速v，c条件下的近似，因此经典力学包含于相对论之中，经典力学是相对论的特例，B错误.经典力学适用于宏观、低速运动的物体，不仅仅适用于像地球和太阳那样大的宏观物体，像乒乓球、篮球、飞鸟等也可以使用，C正确，D错误.
答案：C
4.对于经典力学理论，下述说法中正确的是（）
A.由于相对论、量子论的提出，经典力学已经失去了它的意义
B.经典力学在今天广泛应用，它的正确性无可怀疑，仍是普遍适用的
C.经典力学在历史上起了巨大的作用，随着物理学的发展而逐渐过时，成为一种古老的理论
D.经典力学在宏观低速运动中适用
解析：经典力学和其他任何理论一样，有其自身的局限性和适用范围，但对于宏观低速物体的运动，经典力学仍然适用，并仍将在它的适用范围内大放异彩，所以D项正确.
答案：D
5.（多选）关于相对论，下列说法正确的是（）
A.根据狭义相对论，物体运动的速度是可以大于光速的
B.质量、长度的测量结果都随物体与观察者的相对运动状态而改变
C.根据爱因斯坦的相对论，我们之前所学的物理知识、规律都是错误的
D.惯性系中的观察者观察一个与他做匀速相对运动的时钟时，会看到这个时钟比与他相对静止的时钟走得慢些
解析：根据狭义相对论，物体运动的速度是不能够超过光速的，A错误；根据相对论，质量、长度的测量结果都随物体与观察者的相对运动状态而改变，B正确；我们之前所学的物理知识、规律在宏观低速时是适用的，所以我们不能说之前所学的物理知识、规律都是错误的，C错误；动杆变短，动钟变慢，这是相对论洛伦兹变换的公式得到的，D正确.
答案：BD
6.（多选）20世纪以来人们发现了一些新的事实，而经典力学却无法解释.经典力学只适用于解决物体的低速运动问题，不能用来处理高速运动问题；只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子.这说明（）
A.随着认识的发展，经典力学已成了过时的理论
B.人们对客观事物的具体认识，在广度上是有局限性的
C.经典力学与相对论是相互矛盾的一对理论
D.人们应当不断地扩展认识，在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律
解析：人们对客观世界的认识，要受到所处的时代的客观条件和科学水平的制约，所以形成的看法也都具有一定的局限性.人们只有不断地扩展自己的认识，才能掌握更广阔领域内的不同事物的本质与规律.新的科学的诞生，并不意味着对原来科学的全盘否定，只能认为过去的科学是新的科学在一定条件下的特殊情形.所以A、C错，B、D对.
答案：BD
7.（多选）判断下面说法中正确的是（）
A.“嫦娥三号”飞向月球的过程中从卫星上向前发出的光，对地速度一定比c大
B.“嫦娥三号”飞向月球的过程中从卫星上向后发出的光，对地速度一定比c小
C.“嫦娥三号”飞向月球的过程中从卫星上沿垂直于速度方向发出的光对地速度为c
D.“嫦娥三号”飞向月球的过程中从卫星上向任一方向发出的光对地速度都为c
解析：根据狭义相对论的基本假设——光速不变原理可知：真空中的光速相对于卫星的速度为c，相对于地面的速度也为c，对不同的惯性系是相同的，因此C、D正确，A、B错误.
答案：CD。