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 学案（学生版+教师版）—2024年春高中物理人教版必修二

5　相对论时空观与牛顿力学的局限性 [学习目标]　 1.知道爱因斯坦的两个假设的内容(重点)。 2.知道时间延缓效应及长度收缩效应结论的内容(重难点)。 3.认识经典力学的局限性和适用范围。 4.了解相对论、量子力学和经典力学的关系。 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？ _____ _____ 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　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 ... ...