高中物理第6章 第1节 高速世界

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1《高速世界》素材一、从经典力学到相对论的发展以牛顿运动定律为基础的经典力学中，空间间隔（长度）s 、时间t 和质量m 这三个物理量都与物体的运动速度无关.一根尺子静止时这样长，当它运动时还是这样长；一分钟不论处于静止状态还是处于运动状态,其快慢保持不变；一个物体静止时的质量和运动时的质量一样.这就是经典力学的绝对时空观.到了19世纪末,面对高速运动的微观粒子发生的现象，经典力学遇到了困难。

在新事物面前，爱因斯坦打破了传统的时空观，于1905年发表了题为《论运动物体的电动力学》的论文，提出了狭义相对性原理和光速不变原理,创建了狭义相对论.狭义相对论指出:长度、时间和质量都是随物体的运动速度而变化的。

长度、时间和质量随速度的变化关系可以用下列方程式表达： 2201c v l l -=(通称尺缩效应)2201c vt t -=(钟慢效应）221c vm m -=（质-速效应） 上式中，各式里的v 都是物体的运动速度，c 是真空中的光速，l 0和l 分别为在相对静止和运动系统中沿速度方向测得的物体的长度；t 0和t 分别为在相对静止和运动的系统中测得的时间;m 0和m 分别为在相对静止和运动系统中测得的物体质量。

但是，当宏观物体的运动速度远小于光速时(v c ），则上面的一些结果就变为l≈l0，t≈t0,m≈m0，因而对于宏观低速运动的物体，使用牛顿定律来处理问题，还是足够精确的。

继狭义相对论之后，1915年爱因斯坦又建立了广义相对论，指出空间—时间不可能离开物质而独立存在，空间的结构和性质取决于物质的分布,使人类对于时间、空间和引力现象的认识大大深化了。

“狭义相对论”和“广义相对论”统称为相对论。

二、光速的测定相对论理论的建立，实际上是从研究光的奇特性质开始的，其中很重要的一个问题就是光的传播速度。

早先，对光的传播速度是无限的还是有限的，有过激烈的争论，像笛卡儿这样有名的科学家也认为光的传播速度是无限的，而伽利略等人就持相反的意见,认为光速有限.相传，伽利略曾和助手分别站在两个山头上,采用相互发送和接收光信号的方法测量光速。

第1节高速世界【教学目标】一、知识与技能1．了解高速世界的两个基本原理。

2．了解经典物理学的局限性，知道经典时空观与相对论时空观之间的关系。

3．掌握质速关系与质能关系。

二、过程与方法1．了解科学家建立相对论的探索过程，认识科学思维的意义，学习科学思维的方法。

2．通过建立相对论时空观，提高学生认识物质世界的能力。

3．认识猜想和假设的重要性，培养应用相对论时空观分析研究问题的能力。

三、情感、态度与价值观1．培养有根据的批判意识，培养勇于创新的科学态度2．激发学生对相对论力学的探索热情。

3．培养学生对逻辑推理形成的结论要有一个科学的接受态度。

【重点难点】1、狭义相对论的两个基本假设。

2、相对论的时空观，同时的相对性，长度的相对性，时间间隔的相对性。

3、质量、能量、速度的联系【教学方法】提出问题、揭示矛盾、引发学生思考，然后通过相对论假设进行逻辑推理，得出结论。

【教具准备】多媒体课件【教学过程】（一）新课引入：迈入新世界在19世纪与20世纪之交（1900年前后），许多人认为物理学这座庄严雄伟、动人心弦的科学殿堂已经基本建成了。

只是“物理学晴朗天空的远处，漂浮着两朵小小的令人不安的乌云。

”这两朵“乌云”是：1、迈克尔逊—莫雷实验：研究光沿不同方向传播速度的差异。

2、热辐射实验：研究热辐射的能量与温度的关系。

这两个实验所观测到的现象用当时已有的物理学理论无法进行合理的解释。

正是这两朵的乌云，不久以后酿成了物理学中一场巨大的变革。

（二）新课教学一、高速世界的两个基本原理1.经典时空观的运动合成原理（1）在以20m/s的速度行驶的汽车上，有人以25m/s的速度将一小球水平抛出，在静止于路边的观察者看来，①如果小球是向前抛出的，那么小球水平方向的速度为多少？小球水平方向的的速度为两速度之和。

②如果小球是向后抛出的，小球水平方向的速度又是多少？小球水平方向的的速度为两速度之差。

2.若一束光以速度c向前传播，相对于地面以速度v和光传播同向运动的人，观察到光的传播速度是多少？若人相对于地面以速度v和光传播相反方向运动，她观察到的光的传播速度是多少？根据速度合成的法则：第一种情况人看到的光速应是c+v，第二种情况应是c-v。

1/2ꢀ高速世界/量子世界题型1ꢀ低速与高速1．[广东佛山一中2018高一下期中]经典力学不适用于下列哪些运动(ꢀꢀ)A．火箭的发射B．速度接近光速的物体的运动C．“墨子号”在太空的运动D．宇宙飞船绕地球的运动解析经典力学适用于宏观、低速物体的运动，而不适用于微观、高速物体的运动，故选B.2．经典力学规律有其局限性．物体以下列哪个速度运动时，经典力学规律不适用(ꢀDꢀ)A．2.5×10－5m/sB．2.5×102ꢀm/sC．2.5×103ꢀm/sD．2.5×108ꢀm/s解析速度接近光速时，由相对论规律可知，物体的质量将随物体速度的变化而发生较大变化，经典力学不再适用，故选D.3．下列说法正确的是(ꢀꢀ)CA．开普勒发现了万有引力定律B．牛顿测定了引力常量C．爱因斯坦建立了狭义相对论D．物体高速(接近光速)运动时，其长度与运动状态无关解析牛顿发现了万有引力定律之后，卡文迪许用扭秤实验首先测定了引力常量，A、B错误．爱因斯坦建立了狭义相对论和广义相对论，C正确．根据相对论的基本公式，可知物体的长度、时间间隔和物体的质量都与物体的速度有关，都是相对的；根据狭义相对论，一条沿自身长度方向高速运动的杆，其长度比静止时短，D错误．4．物体运动的速度非常大时，经典力学就不再适用了，这是因为(ꢀCꢀ)A．物体运动的速度很大时，测量时引起的误差太大，所以不适用了B．物体运动的速度很大时，物体受到的力也很大，所以不适用了C．物体运动的速度很大时，物体的质量也发生了较大变化，所以不适用了D．物体运动的速度很大时，加速度也很大，所以不适用了解析根据相对论力学可知，物体的质量不是恒定的，它随物体运动的速度而变化，而在经典力学中，认为物体的质量是恒定的，故C正确．题型2ꢀ经典力学与相对论、量子理论的关系5．[广西南宁三中2018高一下期末]以下说法正确的是(ꢀCꢀ)A．大到天体，小到微观粒子，经典力学理论均适用B．经典力学的局限性说明经典力学的理论是错误的C．在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变D．相对论与量子力学否定了经典力学理论解析我们现在的力学分为经典力学和量子力学，其中经典力学是指以牛顿的三大定律为基础的现代力学体系，其适用于宏观、低速的物体的运动，在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变；在微观高速情况下物体的运动，要用量子力学和相对论来解释，但是并不会因为相对论和量子力学的出现，就否定了经典力学，只是说明经典力学具有局限性，但不能说经典力学是错误的，故选项C正确．.6．[四川绵阳2018高一下期末]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(ꢀBꢀ)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．7．[吉林长春2019高一下月考](多选)关于经典力学、狭义相对论和量子力学，下列说法中正确的是(ꢀꢀ)BCA．狭义相对论和经典力学是相互对立的、互不相容的两种理论B．在物体高速运动时，物体的运动规律遵循狭义相对论，在低速运动时，物体的运动遵循牛顿运ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ动定律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．不论是宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的解析经典力学是狭义相对论在低速条件下的近似，即只要远小于光速，经过数学变换，狭义相对论公式可变化为牛顿经典力学的公式，故A错误；在物体高速运动时，物体的运动规律遵循狭义相对论，在低速运动时，物体的运动遵循牛顿运动定律，故B正确；牛顿经典力学只适用于宏观、低速物体的运动，量子力学适用于微观、高速粒子的运动，故C正确，D错误．8．[江西南昌二中2019高一下月考]继哥白尼提出“日心说”、开普勒提出行星运动三定律后，牛顿站在巨人的肩膀上，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；爱因斯坦既批判了牛顿力学的不足，又进一步发展了经典力学，创立了相对论，这说明(ꢀꢀ)D①世界无限扩大，人不可能认识整个世界，只能认识世界的一部分ꢀ②人的意识具有能动性，能够正确地反映客观世界ꢀ③人对世界的认识具有局限性，需要发展和深化ꢀ④每一个认识都可能被后人推翻，人不可能获得正确的认识A．①②③④ꢀꢀB．①②③ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀC．①③④ꢀꢀꢀꢀꢀD．②③解析人对客观规律的认识是长期的、曲折的，甚至是错误的；但人的意识具有能动性，通过不断实践与概括，最终能够正确地反映客观世界；人对世界的每一个正确认识都有局限性，需要发展和深化，故②③正确．9．[山西太原2018高一下期末](多选)2017年6月16日，来自中国的“墨子号”量子卫星从太空发出两道红色的光射向青海德令哈站与千里外的云南丽江高美古站，首次实现了人类历史上第一次距离达“千公里级”的量子密钥分发．下列说法正确的是(ꢀAꢀC)A．经典力学适用于“墨子号”绕地球运动的规律B．经典力学适用于光子的运动规律C．量子力学可以描述“墨子号”发出两道红光的运动规律D．量子力学的发现说明经典力学已经失去了应用价值解析经典力学适用于宏观、低速物体的运动，“墨子号”绕地球的运动属于宏观、低速的运动，故A正确．量子力学适用于微观、高速物体的运动，如光子的运动，而对于高速运动的光子，经典力学已经不再适用，故B错误．量子力学可以描述光子的运动规律，而且量子力学和经典力学的适用范围不同，各自在自己的范围内是有价值的，故C正确，D错误．。