高中物理第十五章相对论简介第3节狭义相对论的其他结论第4节广义相对论简介课时作业新人教版选修3-4

第二十二天：相对论时空观与牛顿力学的局限性

相对论时空观与牛顿力学的局限性的内容的考点：

1、经典力学的局限性；

2、经典相对性原理；

3、狭义相对论的两个基本假设；

4、“同时”的相对性；

5、长度的相对性；

6、时间间隔的相对性及其验证；

7、相对论速度变换公式；

8、相对论质量。

知识点1：相对论时空观与牛顿力学的局限性

一、牛顿力学时空观

绝对时空观（牛顿力学时空观）：时间和空间都是独立于物体及其运动而存在的。

该观点认为时间和空间是相互独立的。

不同参考性系之间的速度变换关系满足伽利略变换，比如河中的水以相对于岸的速度v 水岸流动，河中的船以相对于水的速度v 船水顺流而下，则船相对于岸的速度为v船岸＝v船水＋v 水岸。

二、相对论时空观

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。

1887年迈克耳孙—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。

爱因斯坦两个假设：

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。

相对论的两个效应：

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Δt＝Δτ1－vc2。

Δt与Δτ的关系总有Δt＞Δτ，即物理过程的快慢(时间进程)与运动状态有关。 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l＝l01－vc2。

l与l0的关系总有l＜l0，即运动物体的长度(空间距离)跟物体的运动状态有关。

低速运动：通常所见物体的运动，如投出的篮球、行驶的汽车、发射的导弹等物体皆为低速运动物体。

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1 / 6 第2课时 狭义相对论的其他结论 广义相对论简介

[对点训练]

知识点一·相对论速度变换公式

1．设想有一艘飞船以v＝0．8c的速度在地球上空飞行，如果这时从飞船上沿其运动方向抛出一物体，该物体相对于飞船的速度为0．9c，从地面上的人看来，物体的速度为( )

A．1．7cB．0．1c

C．0．99cD．无法确定

答案 C

解析 根据相对论速度变换公式：u＝u′＋v1＋u′vc2，得u＝0.9c＋0.8c1＋0.9c×0.8cc2≈0．99c，故C正确。

2．在某实验装置中，粒子A从直线加速器中出来时的速度为0．8c，粒子B出来时的速度为0．4c，方向一样，求粒子A相对粒子B的速度是多少？

答案 0．59c

解析 u＝0．8c，v＝0．4c，由相对论速度变换公式得u＝u′＋v1＋u′vc2，即0．8c＝u′＋0.4c1＋0.4c·u′c2，解得u′＝0．59c，粒子A相对于粒子B的速度是0．59c。

知识点二·相对论质量和质能方程

3．1905年，爱因斯坦创立了“相对论〞，提出了著名的质能方程，如下对质能方程的理解正确的答案是( )

A．假设物体能量增大，如此它的质量增大

B．假设物体能量增大，如此它的质量减小

C．假设核反响过程质量减小，如此需吸收能量

D．假设核反响过程质量增大，如此会放出能量

答案 A

解析 由E＝mc2可知，假设E增大，如此m增大，假设E减小，如此m减小，A正确，B、C、D错误。

4．(多项选择)关于E＝mc2的说法中正确的答案是( ) word

2 / 6 A．质量为m的物体，就储存有mc2的能量

B．质量为m的物体，对应着mc2的能量

C．如果物体质量减少Δm，就将该质量转化为mc2的能量

D．如果物体质量减少Δm，物体就减少Δmc2的能量

答案 BD

解析 由质能方程E＝mc2可知，物体具有的能量和物体的质量存在对应关系，物体的质量减少，能量也减少，减少的能量和减少的质量满足关系：ΔE＝Δmc2，B、D正确。

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第一章 运动的描述

1 质点参考系和坐标系

2 时间和位移

3 运动快慢的描述──速度

4 实验：用打点计时器测速度

5 速度变化快慢的描述──加速度

第二章 匀变速直线运动的研究

1 实验：探究小车速度随时间变化的规律

2 匀变速直线运动的速度与时间的关系

3 匀变速直线运动的位移与时间的关系

4 自由落体运动

5 伽利略对自由落体运动的研究

第三章 相互作用

1 重力基本相互作用

2 弹力

3 摩擦力

3 摩擦力

4 力的合成

5 力的分解

第四章 牛顿运动定律

1 牛顿第一定律

2 实验：探究加速度与力、质量的关系

3 牛顿第二定律

4 力学单位制

5 牛顿第三定律

6 用牛顿定律解决问题（一）

7 用牛顿定律解决问题（二）

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第五章 机械能及其守恒定律

1 追寻守恒量

2 功

3 功率

4 重力势能

5 探究弹性势能的表达式

6 探究功与物体速度变化的关系

7 动能和动能定理

8 机械能守恒定律

9 实验：验证机械能守恒定律

10 能量守恒定律与能源

第六章 曲线运动***

*** 1 曲线运动

2 运动的合成与分解

3 探究平抛运动的规律

4 抛体运动的规律

5 圆周运动

6 向心加速度

7 向心力

8 生活中的圆周运动

第七章 万有引力与航天

1 行星的运动

2 太阳与行星间的引力

3 万有引力定律

4 万有引力理论的成就

5 宇宙航行

6 经典力学的局限性

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第一章 电流

1、电荷库仑定律

2、电场

3、生活中的静电现象

4、电流和电源

5、电流的热效应

第二章 磁场

1、指南针与远洋航海

2、电流的磁场

3、磁场对通电导线的作用

4、磁声对运动电荷的作用

5、磁性材料

第三章 电磁感应

1、电磁感应现象

2、法拉第电磁感应定律

3、交变电流

4、变压器

5、高压输电

1 / 5 5 相对论时空观与牛顿力学的局限性

教学目标

1. 了解狭义相对论的两条基本假设，了解狭义相对论和广义相对论提出的历史背景。

2. 了解尺缩钟慢效应，经历分别以地面为参考系和以μ子为参考系计算μ子寿命的过程。

3. 知道牛顿力学的适用条件和局限性。

教学重难点

教学重点

狭义相对论的两条基本假设、尺缩钟慢效应、牛顿力学的局限性

教学难点

狭义相对论的基本假设、应用洛伦兹变换分析相关问题

教学准备

多媒体课件

教学过程

新课引入

教师活动：展示时钟塔的图片。

教师活动：我们之所以能看到物体，是因为有光进入了我们的眼睛。设想，你以乘坐电车以光速远离时钟塔，你看到的时钟塔时钟的指针应该是怎样的？实际上时钟塔的指针应该是怎样的？

讲授新课

一、相对论时空观

教师活动：讲解狭义相对论提出的历史背景。

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。人们自然要问：这个速度是相对哪个参考系而言的？一些物理学家对这个问题进行了研究。在实验研究中，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 2 / 5 度变换关系不符。

在牛顿力学理论与电磁波理论的矛盾与冲突面前，一些物理学家仍坚持原有理论的基础观念，进行一些修补的工作，而爱因斯坦、庞加莱等人则主张彻底放弃某些与实验和观测不符的观念，如绝对时间的概念，提出能够更好地解释实验事实的假设。

教师活动：讲解狭义相对论的两条基本假设。

狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，物理规律都可以表示为相同的形式。

光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。

教师活动：讲解同时的相对性。

在经典力学中，时间是绝对的，时间均匀流逝的。两者之间是独立的。

在经典力学的，两个事件在某一参考系中同时发生，那么在其他任意的参考系中这两个事件也是同时发生的。