高中物理 5.1经典力学的成就与局限性、5.2经典时空观与相对论时空观同步练习 粤教必修2

5.1 经典力学的成就与局限性[学习目标定位] 1.了解经典力学在科学研究及生产技术中的广泛应用.2.知道经典力学的局限性和适用范围．一、经典力学的成就1．经典力学：又称牛顿力学，经典力学体系是时代的产物，是许多科学家经过艰苦探索才完成的科学理论．它是整个现代物理学和天文学的基础，也是现代许多门类工程技术的理论基础．2．经典力学的成就英国物理学家牛顿在1687年出版的著作《自然哲学的数学原理》中建立了一个完整的力学理论体系．经典力学只用几个基本的概念和原理就可以说明行星和卫星的轨道、开普勒的行星运动定律、彗星运动、落体运动、海洋的潮汐、汽车的运动、足球的运动以及宏观世界中人们日常看到的种种运动．二、经典力学的局限性1．牛顿的绝对时空观：时间、空间与物质及其运动完全无关，时间与空间也完全无关．2．经典力学的局限性：不能解释高速运动领域的许多客观现象；不能解释微观世界丰富多彩的现象．三、经典力学的适用范围经典力学只适用于宏观、低速、弱引力场，超出以上范围，经典力学失效，要由相对论、量子论等来取代.一、经典力学的成就1．经典力学经典力学通常指以牛顿三大定律为核心的矢量力学，有时也泛指描述低速宏观物体机械运动的经典力学体系．2．经典力学的巨大成就(1)把天体运动与地面上物体的运动统一起来．(2)经典力学和以经典力学为基础发展起来的天体力学、材料力学和结构力学等．(3)力学和热力学的发展及其与生产的结合引发了第一次工业革命．(4)由牛顿运动定律导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等是航空航天技术的理论基础．二、经典力学的局限性1．经典力学是从日常机械运动中总结出来的，超出这个范围，经典力学常常就不适用了．2．绝对时空观：牛顿认为，时间、空间与物质及其运动完全无关，时间与空间也完全无关．(1)正确理解绝对时空观①时间和空间是分离的，时间尺度和空间尺度与物质运动无关，都是绝对的．②经典力学的时空观认为，时间就其本质而言是永远均匀地流逝，与任何其他外界事物无关，空间就其本质而言与外界任何事物无关，它从不运动，并且永远不变．(2)由绝对时空观得到的结论①同时的绝对性在一个惯性系中的观察者在某一时刻观测到两个事件，对另一个做匀速直线运动的惯性系中的观察者来说是同时发生的，即同时性与观察者的运动状态无关．②时间间隔的绝对性任何事件(或物体的运动)所经历的时间，在不同的参考系中测量都是相同的，而与参考系(或观察者)的运动无关．③空间距离的绝对性如果各个惯性系中用来测量长度的标准相同，那么空间两点的距离也就有绝对不变的量值，而与惯性系的选择(或观察者的运动状态)无关．3．经典力学的绝对时空观，割裂了时间、空间、物质及其运动之间的联系，不能解释高速运动领域的许多客观现象．4．经典力学的运动观，从自然观角度来说，给出的是一幅机械运动的图景，不能解释微观世界丰富多彩的现象．三、经典力学的适用范围1．经典力学有它的适用范围：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；只适用于弱引力情况，不适用于强引力情况．2．对于高速运动(速度接近真空中的光速)，需要应用爱因斯坦的相对论．当物体的运动速度远小于真空中的光速时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别．3．对于微观世界，需要应用量子力学．当普朗克常量可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别．4．对于强引力情况，需要应用爱因斯坦引力理论．当天体的实际半径远大于它们的引力半径时，爱因斯坦引力理论和牛顿万有引力定律计算出的力的差异并不很大．一、经典力学的巨大成就例1下列说法中正确的是( )A．牛顿运动定律就是经典力学B．经典力学的基础是牛顿运动定律C．牛顿运动定律可以解决自然界中所有的问题D．经典力学可以解决自然界中所有的问题解析经典力学并不等于牛顿运动定律，牛顿运动定律只是经典力学的基础；经典力学并非万能，也有其适用范围，并不能解决自然界中所有的问题，没有哪个理论可以解决自然界中所有的问题．因此只有搞清牛顿运动定律和经典力学的隶属关系，明确经典力学的适用范围，才能正确解决此类问题，所以选B.答案 B二、经典力学的适用范围例2经典力学只适用于“宏观世界”．这里的“宏观世界”是指( )A．行星、恒星、星系等巨大的物质领域B．地球表面上的物质世界C．人眼能看到的物质世界D．不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界解析A、B、C三个选项说的当然都属于“宏观世界”，但都很片面，没有全面描述，本题应选D.答案 D1．(经典力学的成就)关于经典力学的成就，下列论述正确的是( )A．经典力学第一次实现了对自然界认识的理论大综合B．经典力学第一次预言了宇宙中黑洞的存在C．经典力学第一次向人们展示了时间的相对性D．人们借助于经典力学中的研究方法，建立了完整的经典物理学体系答案AD解析经典力学把天上物体和地面上物体的运动统一起来，从力学上证明了自然界的多样性的统一，第一次实现了人类对自然界认识的理论大综合．在研究方法上，人们把经典力学中行之有效的实验与数学相结合的方法推广到物理学的各个分支上，相继建立了热学、声学、光学、电磁学等，形成了完整的经典物理学体系．综上所述，应选A、D. 2．(经典力学的局限性)关于经典力学的局限性，下列说法正确的是( )A．经典力学没有局限性B．经典力学的应用受到物体运动速度的限制，当物体运动的速度接近于真空中的光速时，经典力学就不适用了C．经典力学不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象D．经典力学的时间和空间分离的观点不准确答案BCD解析经典力学仅适用于宏观、低速运动的物体，当物体运动的速度接近于真空中的光速时，经典力学就不再适用了，B对；经典力学无法解释微观领域中物质结构和能量不连续的现象，C对；同样D也对．3．(经典力学的适用范围)下列服从经典力学规律的是( )A．自行车、汽车、火车、飞机等交通工具的运动B．发射导弹、人造卫星、宇宙飞船C．物体运动的速率接近于真空中的光速D．地壳的变动答案ABD解析经典力学适用于宏观、低速运动的物体，所以A、B、D正确；当物体的运动速率接近于光速时，经典力学就不适用了，故C错误.。

7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性【学习目标】1．知道以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围。

2．知道相对论、量子力学和经典力学的关系。

3．通过对牛顿力学适用范围的讨论，使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围，认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神。

【学习重点】了解经典力学的局限性【学习难点】了解相对论、量子力学与经典力学的关系一、相对论时空观1．19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.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，光的传播速度都是一样的！这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符(填“相符”或“不符”)．3．爱因斯坦假设：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．4．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 ＝Δτ1－(v c )2.(2)Δt 与Δτ的关系总有Δt ＞Δτ(填“>”“<”或“＝”)，即物理过程的快慢(时间进程)与运动状态有关．(填“有关”或“无关”)5．长度收缩效应：(1)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. (2)l 与l 0的关系总有l ＜l 0(填“>”“<”或“＝”)，即运动物体的长度(空间距离)跟物体的运动状态有关．(填“无关”或“有关”)二、牛顿力学的成就与局限性1．牛顿力学的成就：牛顿力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律的建立与应用更是确立了人们对牛顿力学的尊敬．2．牛顿力学局限性：牛顿力学的适用范围是低速(填“高速”或“低速”)运动的宏观(填“宏观”或“微观”)物体． (1)当物体以接近光速运动时，有些规律与牛顿力学的结论不相同．(2)电子、质子、中子等微观粒子的运动规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明．3．牛顿力学不会被新的科学成就所否定，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．判断下列说法的正误．(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．( )(3)经典力学只适用于世界上普通的物体，研究天体的运动经典力学就无能为力了．( )(4)洲际导弹的速度可达到6 000 m/s ，在这种高速运动状态下，经典力学不适用．( )(5)对于质子、电子的运动情况，经典力学同样适用．( )知识点一、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 ＝Δτ1－(v c)2. (2)长度收缩效应：运动长度会收缩，即l ＝l 01－(v c )2. 【经典例题1】在静止坐标系中的正立方体边长为l 0，另一坐标系以相对速度v 平行于正立方体的一边运动．问在后一坐标系中的观察者测得的立方体的体积是多少？1．物体静止长度l 0和运动长度l 之间的关系为l ＝l 01－v 2c2. 2．相对于地面以速度v 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)在垂直于运动方向不发生长度收缩效应现象．【变式训练1】A 、B 两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，v A ＞v B ，在地面上的人观察到的结果正确的是( )A ．火箭A 上的时钟走得最快B ．地面上的时钟走得最快C．火箭B上的时钟走得最快D．火箭B上的时钟走得最慢知识点二、牛顿力学的成就与局限性1．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，相对论阐述了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．2．相对论和量子力学没有否定经典力学(1)当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别；(2)当另一个重要常数即“普朗克常量”可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别．(3)相对论和量子力学并没有否定经典力学，经典力学是二者在一定条件下的特殊情形．【经典例题1】下列关于经典力学的说法正确的是()A．经典力学适用于宏观、低速(远小于光速)运动的物体B．经典力学适用于微观、高速(接近光速)运动的粒子C．相对论和量子力学的出现，表明经典力学已被完全否定了D．经典力学在理论和实践上取得了巨大的成功，从地面到天体的运动都服从经典力学的规律，因此任何情况下都适用【变式训练1】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()A．2.5×10－5 m/s B．2.5×102 m/sC．3.5×103 m/s D．2.5×108 m/s一、单项选择题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()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2．如图2所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光速的传播速度为()A．0.4c B．0.5c C．0.9c D．1.0c3．话说有兄弟两个，哥哥乘坐宇宙飞船以接近光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了C．由相对论可知，物体速度越大，在其上的时间进程就越慢，生理过程也越慢D．这是神话，科学无法解释4.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5.经典力学不能适用于下列哪些运动()A．火箭的发射B．宇宙飞船绕地球的运动C．宇宙探测器在太空的运动D．电子的波动性6.如图所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为()A．0.4c B．0.5cC．0.9c D．c7.一高速列车通过洞口为圆形的隧道，列车上的司机对隧道的观察结果为() A．洞口为椭圆形，长度变短B．洞口为圆形、长度不变C．洞口为椭圆形、长度不变D．洞口为圆形，长度变短二、多项选择题8．下列说法中正确的是()A．经典力学是以牛顿的三大定律为基础的B．经典力学在任何情况下都适用C．当物体的速度接近光速时，经典力学就不适用了D．相对论和量子力学的出现，使经典力学失去了意义9．下列适用经典力学规律的是()A．自行车、汽车、火车、飞机等交通工具的运动B．发射导弹、人造卫星、宇宙飞船C．以接近光速飞行的μ子的运动D．地壳的变动。

第一节经典力学的成就与局限性第二节经典时空观与相对论时空观一、经典力学的局限性和适用范围1．经典力学的适用范围：对于宏观、低速(相对光速)物体的运动经典力学仍然适用．2．经典力学的局限性(1)经典力学的应用受到物体运动速率的限制，当物体运动速率接近于真空中的光速时，经典力学的许多观念将发生重大变化．(2)经典力学不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象．二、经典时空观与相对论时空观1．经典时空观(1)惯性系与非惯性系：①惯性系：凡是牛顿运动定律成立的参考系，相对于惯性系静止或做匀速直线运动的参考系都是惯性系．②非惯性系：牛顿运动定律不成立的参考系，相对于惯性系做变速运动的参考系是非惯性系．(2)伽利略相对性原理：对于所有的惯性系，力学规律都是相同的，或者说，一切惯性系都是等效的．(3)经典时空观(绝对时空观)：时间永远均匀地流逝，与任何外界无关；空间与任何外界事物无关，从不运动，永远不变．(4)经典时空观的几个具体结论：①同时的绝对性；②时间间隔的绝对性；③空间距离的绝对性；④物体质量恒定不变．即它们与参考系的选择(或观察者的运动状态)无关．2．相对论时空观(1)光速不变与经典物理学的矛盾：观察和实验事实表明：无论光源和观察者如何运动，光速只能是c，这与经典力学的速度合成法则相矛盾．(2)狭义相对论的两条基本假设：①相对性原理：在不同的惯性系中，一切物理规律都是相同的．②光速不变原理：不管在哪个惯性系中，测得的真空中的光速都相同．(3)相对论时空观①“同时”的相对性：在一个参考系中同时发生的两个事件，在另一个参考系看来是不同时的．②运动的时钟变慢：时钟相对于观察者静止时，走得快；相对于观察者运动时，走得慢．运动速度越快，效果越明显．③运动的尺子缩短：一个物体相对于观察者静止时，它的长度测量值最大；相对于观察者运动时，观察者在运动方向上观测，它的长度要缩短，速度越快，缩得越短．④物体质量随速度的增加而增大．1．判断下列说法的正误．(1)牛顿运动定律适用于任何参考系．(×)(2)经典时空观认为时间间隔是绝对的．(√)(3)经典时空观认为物体的质量是绝对的．(√)(4)不论是宏观物体，还是微观粒子，经典力学和相对论都是适用的．(×)2．(多选)下列服从经典力学规律的是( )A．自行车、汽车、火车、飞机等交通工具的运动B．发射导弹、人造卫星、宇宙飞船C．物体运动的速率接近于真空中的光速D．能量的不连续现象答案AB解析经典力学只适用于宏观、低速运动的物体，所以A、B正确，C错误；能量的不连续现象不适合用经典力学来解释，所以选项D错误.一、经典力学与相对论的比较如图1甲，质子束被加速到接近光速；如图乙，中子星是质量、密度非常大的星体．请思考：图1(1)经典力学是否适用于质子束的运动规律？如何研究质子束的运动规律？(2)经典力学是否适用于中子星的引力规律？如何研究中子星的引力规律？答案(1)质子束的运动属于高速、微观范畴，经典力学不再适用，应该应用狭义相对论、量子力学进行研究．(2)中子星的引力规律属于引力范畴，经典力学不再适用，应该应用广义相对论进行研究．1．区别：2.联系：(1)当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别．(2)相对论并没有否定经典力学，经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形．例1下列说法正确的是( )A．在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，在狭义相对论中，物体的质量也不随运动状态而改变B．狭义相对论和经典力学是完全不同相互矛盾的两个理论C．物体高速运动时，物体的运动服从狭义相对论，在低速运动时，物体的运动服从牛顿运动定律。

5.1 经典力学的成就与局限性、5.2 经典时空观与相对论时空观学案（粤教版必修2）知识梳理一、经典力学的发展历程1.经典力学经典力学通常指以牛顿运动定律为核心的矢量力学，有时也泛指描述低速宏观物体机械运动的经典力学体系，也称牛顿力学或古典力学体系.2.发展历程从亚里士多德和阿基米德的物理学发展到经典力学体系经历了约两千年，经历了以哥白尼、开普勒和伽利略为代表的科学革命.牛顿在伽利略、笛卡儿、开普勒、惠更斯等人研究的基础上，进行了一次科学的伟大的综合，即天与地、实验归纳与理论演绎、时空观与方法论、数学与哲学、物理思维与技术应用等方面的综合，形成了一个以实验为基础，以数学为表达形式的力学科学体系.二、经典力学的伟大成就1.实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合.2.界定了自然科学应有的基本特征.3.将“实验和数学”相结合的方法推广到物理学的各个分支上，形成了完整的经典力学体系.三、经典力学的局限性和适用范围1.经典力学的局限性（1）把一切自然现象都归结为机械决定论.（2）把时间、空间割裂开来，认为它们与物质运动无关.2.经典力学的适用范围（1）只适用于低速运动，不适用于高速运动.（2）只适用于宏观物体运动，不适用于微观粒子的运动.（3）只适用于弱引力环境，不适用于强引力环境.四、经典时空观1.惯性系与非惯性系定义：牛顿运动定律成立的参考系，称为惯性参考系，简称惯性系（inertial system）.牛顿运动定律不成立的参考系，称为非惯性系.2.伽利略的相对性原理(1)概述：对于所有的惯性系，力学规律是相同的，或者说一切惯性系都是等效的.(2)两个要点：①如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系叫做惯性系，相对于一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系；②力学规律在任何惯性系中都是相同的，或者说，任何惯性系都是平权的.3.经典力学的时空观(1)概述：绝对的真实的数学时间就其本质而言，是永远均匀地流逝.绝对空间就其本质而言是与任何外界无关，并且与任何外界事物无关.这就是经典力学的时空观，也称为绝对时空观.(2)几个具体结论①同时的绝对性.②时间间隔的绝对性.③空间的绝对性.五、相对论时空观1.狭义相对论（special relativity ）的两个假设（1）在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的——相对性原理（principle of relativity ）.（2）真空中的光速相同——光速不变原理.这是爱因斯坦在前人的实验基础上提出的假设，这两个假设就是狭义相对论的基础.2.狭义相对论的几个结论（1）“同时”的相对性;（2）运动的时钟变慢;（3）运动的尺子缩短.（4）物体的质量随速度的增大而增大经过严格的证明，物体有静止质量m 0和运动的质量m ，它们之间有如下关系： m=2)(1c v m -从上式可以看出，当物体（一般是粒子）的速度很大时，其运动时的质量明显大于静止时的质量.知识导学由牛顿力学定律导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等，是航空航天技术的理论基础.火箭、人造地球卫星、航天飞机、宇宙飞船、行星探测器等航天器的发射，都是牛顿力学规律的应用范例.疑难突破1.“同时”的相对性的理解剖析：“同时性”在惯性系中，在低速时是没有疑问的.例如一列火车在做匀速直线运动，在某车厢中的中点一个人点燃一枝蜡烛.他看到车厢前后两壁是同时被照亮的，地面上人也应认为前后壁都是被同时照亮的，但有了光速不变原理时，情况就不一样了，当火车速度较大时，地面上的人将认为光先到达后壁，而后到达前壁.这就是“同时的相对性.”时间进程对于同一个参考系（惯性系）是没有变化的，而从另一个参考系来看这个参考系才会有变化.时间进程要能感觉出来必须是两个参考系的相对速度很大，大到能和光速相比，这时候在光的传播的很短时间内，相对位移就很大了.时间进程变慢在低速世界只能从推算中得知，然后进行推理才能感知.2.运动的时钟变慢的理解剖析：在一个匀速前进的车厢顶上有一平面镜，正下方有一光源（闪光光源），车顶到光源距离为h.对火车上的人来说，光从光源经平面镜回到光源所经过的时间为Δt′=ch 2,对于地面上的人看到的光通过的路程为（2t v ∆）2=（2t c ∆）2-h 2,可得Δt=2)(1'c v t -∆.显然，由c ＞v可知Δt ＞Δt′.这说明：关于闪光从光源出发，经小镜反射又回到光源处所经历的时间，地面上的观察者与运动的车上观察者的测量结果是不同的，运动的车上观察者测的时间间隔短些.该式子具有普遍意义，当从地面观察以速度v 前进的火车时，车上的时间进程变慢了，不仅时间变慢了，物理、化学过程和生命的过程都变慢了，但车上的人都没有这种感觉，他们反而认为地面上的时间进程变快了.3.运动的尺子缩短的理解剖析：如果匀速直线运动的火车上沿着运动的方向放着一根木杆，坐在火车上的人测得木杆头尾坐标之差是木杆的长，但地面上的人则认为他不是同时测得木杆头尾的坐标，因为由于车在运动、杆在运动，他们同时有相对性.同样，地面上认为是同时测量的，火车上的人认为是不同时的，经过严格的推导可得： l=l′2)(1c vl′为车上人测得的长度，l 为地面上人测得的长度，由于1-(cv )2＜1，所以l ＞l′.其意义是：相对于地面以速度v 运动的物体，从地面上看，沿着运动方向上的长度变短了，速度越大，变短得越多，但是高度却没有什么变化，对于车上的人来说，车上一切和往常一样，只是地面上的物体和距离都变窄了、变短了.由于两个参考系相对速度很大，从一个参考系看另一个参考系里的长度，而且是顺着速度方向的长度会变短，这也是严格推算出来的.这可以从列车高速对开时笛声频率发生变化受到启发，也可以从速度较快的汽车上看到外面的树木感到似乎有某种变化等，可以理解长度变短.这里要强调说明在垂直于速度方向的长度基本不变，这一点在学习时要注意.因为在生活中我们处在一个低速环境中，长度收缩和时间膨胀效应很小，我们感觉不出来.典题精讲例1 牛顿定律能适用于下列哪些情况（ ）A.研究原子中电子的运动B.研究“神舟”五号飞船的高速发射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思路解析：BCD 中各项运动虽然是“高速”，但相对于光速来说，却是微不足道的，完全可以用牛顿定律研究其规律.原子、电子等是微观粒子，它的运动不服从牛顿定律，故牛顿运动定律不适用于A 选项中的情况.答案：BCD绿色通道：准确理解牛顿定理“宏观低速”范围的含义.牛顿定律只能用于“宏观低速”的情形，这里的“宏观”是相对于微观粒子而言的，这里的“低速”是相对于光速而言的.变式训练 两台升降机甲、乙同时自由下落，甲上的人看到乙是静止的，也就是说，在甲看来，乙的运动状态并没有改变，但是乙确实受到向下的地球引力.根据牛顿定律，受到外力作用的物体，其运动状态一定会改变，这不是有矛盾吗？你是如何理解的？思路解析：牛顿定律只能适用于惯性参考系，即用来作为参考系的物体不能有加速度（可以是静止或匀速运动）.当甲上的人看到乙静止，实际上是以做加速运动的升降机甲为参考系，这时牛顿定律不再成立.答案：不矛盾（理由参考思路解析）例2 地面上A、B两个事件同时发生，对于坐在火箭中沿两个事件发生的连线飞行的人来说（图5-1-1），哪个事件先发生？图5-1-1思路解析：两个事件在地面上同时发生，然而，由于火箭是在两事件的连线上飞行，B发出的光要比A发出的光多走一段距离到达火箭上的观察者.光速不变，光跑较长的距离需要较多的时间.答案：A事件先发生绿色通道：在一切惯性系中，光在真空中传播的速度都等于c，跟光源的运动无关.变式训练一列火车以速度v匀速行驶，车头、车尾各有一盏灯，某时刻路基上站在火车中点的人看见两灯同时亮了，那么从车厢顶上看见的情况是什么呢？思路解析：对列车参考系来说不同时的事件，对站台参考系是同时的.两个事件是否同时发生，与参考系的选择有关.因此光速是恒定的.答案：车头灯先亮.问题探究问题 1 双生子佯谬是狭义相对论中关于时间延缓的一个似是而非的疑难点.按照狭义相对论，运动的时钟走得较慢是时间的性质，一切与时间有关的过程都因运动而变慢，变慢的效应是相对的.于是有人设想一次假想的宇宙航行，双生子甲乘高速飞船到宇宙空间去旅行，双生子乙则留在地球上，经过若干年后飞船返回地球.在地球上的乙看来，甲处于运动之中，甲的生命过程进行得缓慢，则甲比乙年轻；然而按飞船上的甲看来，乙也是运动的，则应是乙比较年轻.事实上，重返相遇时的比较，结果应该是唯一的.可见，似乎狭义相对论遇到无法克服的难题.这就是有名的“双生子佯谬”.你是怎样看待这个问题的？导思：狭义相对论是关于惯性系之间的时空理论,而双生子佯谬恰恰又是忽略了这一点,从而得出了矛盾的结论.探究：事实上双生子佯谬并不存在.狭义相对论是关于惯性系之间的时空理论.甲和乙所处的参考系并不都是惯性系，乙是近似的惯性系，乙推论甲比较年轻是正确的；而甲是非惯性系，狭义相对论不适用，甲不能推论乙比较年轻.其实根据广义相对论，或者甚至勿须用广义相对论，设想一个甲相对乙做变速运动的特殊过程：很快加速—匀速—很快减速，然后反向很快加速—匀速—很快减速，按照狭义相对论，仔细考虑其中的时间延缓和同时性的相对性，可以得出无论从甲或乙分析，结论是相同的，都是飞船上的甲要比乙更年轻.问题2 设想在一个无限大的光滑水平面上，有一个质量为m 的物体，在一个水平恒力F 的作用下，从静止开始运动，如图5-1-2所示.根据牛顿第二定律可知，物体将以加速度a=m F 做匀加速直线运动.由运动学公式可知，物体的速度v=at.图5-1-12由此我们可作出推断：随着时间的推移，物体的速度不断增大，最终可使物体获得任意大的速度.你觉得上述推理合理吗？请同学们讨论交流.导思：经典力学有其局限性,牛顿定律的适用范围是:宏观物体,低速运动,不适用于高速运动. 探究：爱因斯坦在狭义相对论中阐述了物体以接近光速运动时所遵从的规律，得出了一些不同于经典力学的观念和结论.（1）在经典力学中,物体的质量是不随运动状态改变的，而狭义相对论认为，物体的质量要随物体运动速度的增大而增大,即 m=2201c vm式中m 0是物体的静止质量，m 是物体以速度v 运动时的质量，c 是光在真空中的速度.上式是在光速不变原理基础上得出的.由上式可知，m 随v 增大而增大，如地球以3×104 m/s 的速度绕太阳公转时，它的质量增大十分微小，可以忽略，经典力学完全适用.但如果物体接近光速，如速度v=0.8c 时,物体的质量约增大到静止质量的1.7倍.（2）运动的物体和静止的物体相比不仅质量变了，而且沿运动方向的长度和时间都要变化，都具有相对性.因此，当力F 拉着物体运动的速度大到一定程度时，物体质量的增大和长度、时间的相对论效应将显著，这时，牛顿定律不能适用.。

经典时空观与相对论时空观(建议用时：45分钟)[学业达标]1．如图5­1­1所示，沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C.假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上的观测者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是( )图5­1­1B．A先被照亮A．同时被照亮D．无法判断C．C先被照亮【解析】因列车沿AC方向接近光速行驶，根据“同时”的相对性，即前边的事件先发生，后边的事件后发生可知C先被照亮，故答案为C.【答案】C2．关于经典力学和相对论，下列说法正确的是( )A．经典力学和相对论是各自独立的学说，互不相容B．相对论是在否定了经典力学的基础上建立起来的C．相对论和经典力学是两种不同的学说，二者没有联系D．经典力学包含在相对论之中，经典力学是相对论的特例【解析】相对论的建立并没有否定经典力学，而是认为经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形．所以A、B、C不对，D正确．【答案】D 3．如图5­1­2所示，按照狭义相对论的观点，火箭A是迎着光行驶的，火箭B是“追赶”光的，若火箭相对地面的速度为v，则两火箭上的观察者测出的光速分别为( )图5­1­2A．c＋vc－v B．c－vc＋vD．无法确定C．cc【解析】 根据光速不变原理，在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c 都一样，因此在火箭A 、B 两个惯性参考系中，观察者测量到的光速一样大，均为c ，故C 正确．【答案】 C4．A 、B 两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，v A ＞v B .在火箭A 上的人观察到的结果正确的是( )【导学号：35390083】A ．火箭A 上的时钟走得最快B ．地面上的时钟走得最快C ．火箭B 上的时钟走得最快D ．火箭B 上的时钟走得最慢【解析】 在火箭A 看来，地面和火箭B 都高速远离自已，由t ＝t01－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2知，在火箭A 上的人观察到的结果是地面和火箭B 的时钟都变慢了，且v A ＞v B ，故地面的时钟最慢，因此A 正确，B 、C 、D 错误．【答案】 A5．假设有兄弟俩个，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 【解析】 根据公式Δt ＝Δt′1－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2可知，物体的速度越大，其时间进程越慢． 【答案】 C6．假设地面上有一列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【解析】 由公式l ＝l 01－v2c2可知，在运动方向上，人的宽度要减小，在垂直于运动方向上，人的高度不变．【答案】 D7．(多选)对于公式m＝m01－v c，下列说法正确的是( )A ．式中的m 0是物体以速度v 运动时的质量B ．当物体的运动速度v ＞0时，物体的质量m ＞m 0，即物体的质量改变了，故经典力学不适用，是不正确的C ．当物体以较小速度运动时，质量变化十分微小，经典力学理论仍然适用，只有当物体以接近光速运动时，质量变化才明显，故经典力学适用于低速运动，而不适用于高速运动D ．通常由于物体的运动速度太小，故质量的变化十分微小，在分析地球上宏观物体的运动时，不必考虑质量的变化【解析】 式中的m 0是物体静止时的质量，所以选项A 错．当物体以较小速度运动时，质量变化十分微小，经典力学理论仍然适用，只有当物体以接近光速运动时，质量变化才明显，故经典力学适用于低速运动，而不适用于高速运动，通常由于物体的运动速度太小，故质量的变化十分微小，一般在分析地球上宏观物体的运动时，不必考虑质量的变化，所以选项B 错，选项C 、D 正确．【答案】 CD8．(多选)在地面附近有一高速飞过的火箭．关于地面上的人和火箭中的人观察到的现象中正确的是( )A ．地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变快了B ．地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变慢了C ．火箭上的人观察到火箭的长度和时间进程均无变化D ．火箭上的人看地面物体长度变小，时间进程变快了【解析】 根据狭义相对论的钟慢效应和尺缩效应可知，地面上的人观察到火箭变短了，时间进程变慢了，在火箭上的人相对火箭不运动故不会出现这两种效应．【答案】 BC[能力提升]9．一个原来静止的电子，经电压加速后，获得的速度为v ＝6×107m/s.问电子的质量将会发生怎样的变化( )A ．质量是物体的固有属性与速度无关，所以加速后电子质量不变B ．物体的质量随速度的增大而增大，所以加速后电子质量变大C ．物体的质量随速度的增大而减小，所以加速后电子质量变小D ．因为电子的速度比光速小，所以质量几乎不变【解析】 根据狭义相对论运动物体的质量变大，当速度很小时这种变化很小可以认为质量不变，但是电子的速度v ＝6×107m/s 与光速3×108m/s 相比已经不算太小，电子质量变大，故B 正确．【答案】 B10．如图5­1­3所示，a 、b 、c 为三个完全相同的时钟，a 放在水平地面上，b 、c 分别放在以速度v b 、v c 向同一方向飞行的两枚火箭上，且v b ＜v c ，则地面的观察者认为走得最慢的钟为( )图5­1­3A ．aB ．bC ．cD ．无法确定【解析】 根据公式Δt ＝Δt′1－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2可知，相对于观察者的速度v 越大，其上的时间进程越慢，由v c＞v b＞v a＝0，知c 钟走得最慢．【答案】 C11．一个原来静止的电子，经电压加速后，获得的速度为v ＝6×106m/s.问电子的质量增大了还是减小了？改变了百分之几？【解析】 根据爱因斯坦的狭义相对论m ＝m01－v2c2得出运动后的质量增大了．m ＝m01－v2c2＝m01－62×106×232×108×2≈1.000 2m 0.所以改变的百分比为：m －m0m0×100%＝0.02%.【答案】 增大 0.02%12．近地卫星以7.9 km/s 的最大运行速度环绕地球匀速运行．其上安装了一只完好的手表走过了1 min ，地面上的人认为这只表走过这1 min “实际”上花了多少时间？【解析】 由狭义相对论原理知卫星上测到的时间Δt ′＝1 min ，卫星运行的速度v ＝7.9×103m/s.所以地面上的人观测到的时间为Δt ＝Δt′1－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2＝11－⎝ ⎛⎭⎪⎫7.9×1033×1082min＝(1＋3.47×10－10)min ，通过这个题目说明，即使对于人造卫星这样飞快的速度，相对论效应也是微不足道的．【答案】 (1＋3.47×10－10)min。