7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性(解析版)

第七章万有引力与宇宙航行第5节相对论时空观与牛顿力学的局限性1．1905年爱因斯坦提出了狭义相对论，狭义相对论的出发点是以两条基本假设为前提的，这两条基本假设是（）A．同时的绝对性与同时的相对性B．运动的时钟变慢与运动的尺子缩短C．时间间隔的绝对性与空间距离的绝对性D．相对性原理与光速不变原理【答案】D【解析】爱因斯坦提出的狭义相对论两条基本假设是：相对性原理与光速不变原理，其他内容均建立在这两点的基础之上；故选D。

2．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【答案】D【解析】由l＝l22 1uc直运动方向的长度，即身高不变，故D选项正确。

3．以下说法正确的是A．经典力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子B．相对论与量子力学否定了经典力学理论C．在经典力学中，物体的质量随运动状态而改变D．经典力学理论具有一定的局限性【答案】D【解析】A．经典力学理论适应于宏观物体，不适应微观粒子，选项A错误；B．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，故B错误。

C．在相对论中，物体的质量随运动状态而改变，在经典力学中，物体的质量与运动状态无关，故C错误。

D．经典力学理论具有一定的局限性，对高速微观粒子不适用，选项D正确。

4．对相对论的基本认识，下列说法正确的是A．相对论认为：真空中的光速在不同惯性参考系中都是相同的B．爱因斯坦通过质能方程阐明了质量就是能量C．在高速运动的飞船中的宇航员会发现飞船中的钟走得比地球上快D．我们发现竖直向上高速运动的球在水平方向上变扁了【答案】A【解析】A．相对论认为：真空中的光速在不同的惯性系中都是相同的，故A正确．B．由2=可知，质量与能量相互联系，但质量与能量是两个不同的物理量，不能说质量就是能E mc量，能量就是质量，故B错误；C．在高速运动的飞船中的宇航员会发现飞船中的钟走得比地球上慢．故C错误；D．我们发现竖直向上高速运动的球，水平方向上没有变化，竖直方向变短了，故D错误；故选A．5．以下关于相对论的说法，正确的是A．观察者与光源相向运动时，观测到的光速大于8⨯m/s310B．在不同的惯性系中观测同一物体，尺寸都相同C．对于同一个物理过程经历的时间，在任何惯性系中观测结果都相同D．当物体相对某一惯性系高速运动时，其质量的观测值与速度大小有关【答案】D【解析】根据狭义相对论，真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，与光源和观察者的运动无关，故A错误；在不同的惯性系中测量同一物体的长度，测量值是不同的，故B错误；对于同一个物理过程经历的时间，在不同惯性系中观测结果是不相同的，选项C错误；当物体相对某一惯性系高速运动时，其质量的观测值与速度大小有关，选项D正确；故选D。

专题7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性【人教版】【题型1 光速不变原理】........................................................................................................................................... 【题型2 同时的相对性】........................................................................................................................................... 【题型3 时间延缓效应】........................................................................................................................................... 【题型4 长度收缩效应】........................................................................................................................................... 【题型5 质量问题】................................................................................................................................................... 【题型6 综合问题】................................................................................................................................................... 【题型7 牛顿力学的局限性】...................................................................................................................................【题型1 光速不变原理】【例1】关于狭义相对论的说法，不正确的是()A．狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的B．狭义相对论认为在一切惯性参考系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关C．狭义相对论只涉及无加速运动的惯性系D．狭义相对论任何情况下都适用答案D解析狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，选项A正确；狭义相对论认为在一切惯性参考系中，光在真空中的速度都等于c(光速不变原理)，与光源的运动无关，选项B正确；狭义相对论只涉及无加速运动的惯性系，故选项C正确，D错误．【变式1-1】（多选）设某人在速度为0.5c的飞船上打开一个光源，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1.5cB．飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5cC．在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是cD．在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c答案：CD【变式1-2】如图所示，考虑几个问题：(1)如图所示，参考系O′相对于参考系O静止时，人看到的光速应是多少？(2)参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动，人看到的光速应是多少？(3)参考系O相对于参考系O′以速度v向左运动，人看到的光速又是多少？解析根据狭义相对论的一个基本假设：光速不变原理，可知光速是不变的，都应是c.答案(1)c(2)c(3)c【变式1-3】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．0.5c C．0.9c D．c答案：D【题型2 同时的相对性】【例2】如图所示，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方向以接近光速的速度行驶，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()A．同时被照亮B．A先被照亮C．C先被照亮D．无法判断答案C解析列车上的观测者看到的是由B发出后经过A和C反射的光，由于列车在这段时间内向C运动靠近C，而远离A，所以C的反射光先到达列车上的观测者，看到C先被照亮，故只有C正确．【变式2-1】如图所示，在地面上M点固定一光源，在离光源等距的A、B两点上固定有两个光接收器，今使光源发出一闪光，问：(1)在地面参考系中观测，谁先接收到光信号？(2)在沿AB方向高速运动的火车参考系中观测，谁先接收到光信号？解：(1)因光源离A、B两点等距，光向A、B两点传播速度相等，所以光到达A、B两点所需要的时间相等。

5．相对论时空观与牛顿力学的局限性[学习目标要求] 1.了解相对论时空观，知道时间延缓效应和长度收缩效应。

2.认识牛顿力学的成就、适用范围及局限性。

3.了解科学理论的相对性，体会科学理论是不断发展和完善的。

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．时间延缓效应：Δt ＝Δτ1－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2。

4．长度收缩效应：l ＝l 01－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2。

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。

[判一判](1)在一切惯性系中不论沿任何方向，光速大小都是c 。

(√)(2)时间延缓效应是说时钟走得慢了。

(×)(3)长度的收缩效应表明物体真实长度变小。

(×)(4)汽车运动时没发现长度变化，故长度的收缩效应是错误的。

(×)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和万有引力定律，从地面上物体的运动到天体的运动，都服从牛顿力学的规律。

2．牛顿力学的局限性电子、质子、中子等微观粒子，它们不仅具有粒子性，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。

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。

4．相对论物理学与牛顿力学的联系(1)当物体的运动速度远小于光速c时(c＝3×108 m/s)，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别。

(2)当另一个重要常数即普朗克常量h可以忽略不计时(h＝6.63×10－34 J·s)，量子力学和牛顿力学的结论没有区别。

(3)相对论与量子力学都没有否定过去的科学，而只认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形。

知识结构导图核心素养目标物理观念：惯性系的概念，经典时空观与相对论时空观．科学探究：查阅相对论时空观的验证资料，体会人类对自然界的探究是不断深入的．科学思维：经典理论与狭义相对论的区别．科学态度与责任：会利用相对论时空观解释与日常生活相关的时间和长度的相对性问题知识点一相对论时空观阅读教材第65～67页“相对论时空观”部分．1．惯性系与非惯性系(1)凡是牛顿运动定律成立的参考系，称为惯性参考系，简称惯性系，相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系．惯性系就是没有加速度的参考系，如地面．(2)牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性参考系，如加速中的汽车，这个汽车作为参考系就是非惯性参考系．2．经典相对性原理：表述一：力学规律在任何________中都是相同的．表述二：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做________运动．表述三：任何惯性系都是________的． 3．狭义相对论的两个基本假设： (1)实验基础：不论光源与观测者做怎样的相对运动，光速都是________．(2)两个基本假设. 项目 内容狭义相对性原理在不同的________参考系中，物理规律的形式都是相同的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________的(1)时间延缓效应如果相对于地面以v 运动的________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________完成这个动作的时间间隔为Δt ，那么两者之间的关系是Δt ＝________由于1－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2<1，所以总有Δt >Δτ，此种情况称为时间________．(2)长度收缩效应如果与杆________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 ＝________由于1－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2<1，所以总有l <l 0，此种情况称为长度________．图解1：图解2：小车的加速度a＝0时，单摆和小球的状态符合牛顿运动定律；小车的加速度a≠0时，单摆和小球的状态不符合牛顿运动定律．点睛：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．知识点二牛顿力学的成就与局限性阅读教材第68页“牛顿力学的成就与局限性”部分．1．牛顿力学的成就(1)从地面上物体的运动到________的运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从自行车到汽车、火车、飞机等________工具的运动，从投出篮球到发射________、人造地球卫星、宇宙飞船……所有这些都服从牛顿力学的规律．(2)牛顿力学在如此广阔的领域里与实际相________，显示了________的正确性和牛顿力学的魅力．像一切科学一样，牛顿力学没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性．它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交响曲”．(1)19世纪末和20世纪初，物理学研究深入到________，发现了电子、________、中子等微观粒子，而且发现它们不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用________来说明．(2)20世纪20年代，________建立了，它能够很好地描述________运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用．3．牛顿力学与相对论的关系(1)当物体的运动速度____________于光速c时(c＝3×108 m/s)，相对论物理学与牛顿力学的结论____________区别；(2)当另一个重要常数即普朗克常量h可以忽略不计时(h×10－34 J·s)，________和牛顿力学的结论没有区别．(3)相对论与量子力学都没有________过去的科学，而只认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形．【思考辨析】(1)在牛顿力学中，位移的测量与参考系的运动情况无关．()(2)牛顿运动定律在物体速度达到几千米每秒时就不再适用了．()(3)真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的．()(4)在相对论时空观中，运动物体的长度跟物体的运动状态有关．()(5)量子力学不能描述微观粒子的运动规律．()要点一时间延缓效应和长度收缩效应时间延缓效应是不是指时钟走得慢了？长度收缩效应是不是指物体长度变短了？1．两个效应与物体相对静止的参考系中观察与物体相对运动的参考系中观察时间延缓效应两个事件发生的时间间隔为Δτ两事件发生的时间间隔变大Δt＝Δτ1－⎝⎛⎭⎪⎫vc2长度收缩效应杆的长度为l0若参考系沿杆的方向运动，观察到的杆的长度减小l＝l01－⎝⎛⎭⎪⎫vc2“两个效应”的理解(1)时间间隔、长度的变化，都是由于物质的相对运动引起的一种观测效应，它与所选取的参考系有关，物质本身的结构并没有变化．(2)两个事件的时间间隔和物体的长度，必须与所选取的参考系相联系，如果在没有选取参考系的情况下讨论时间的长短及空间的尺寸，是没有任何意义的．3．相对性的四个方面(1)“同时”的相对性：“同时”不是绝对的，而是取决于观察者的运动状态．(2)长度的相对性：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短．(3)时间间隔的相对性：运动的时钟变慢．(4)相对论时空观：空间和时间与物体的运动状态有关．题型一对长度的相对性的理解点拨：时间延缓和长度收缩．可以通俗地理解为：运动的钟比静止的钟走得慢，而且运动速度越快，钟走得越慢，接近光速时，钟就几乎停止了；在尺子长度方向上运动的尺子比静止时短，这就是所谓的长度收缩效应，当速度接近光速时，尺子缩成一个点．【例1】一艘太空飞船静止时的长度为30 m，它以c(c 为光速)的速度沿长度方向飞行越过地球，下列说法正确的是()A．飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30 mB．地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 mC．飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于cD．地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c题型二对时间间隔的相对性的理解【例2】如图所示，A、B、C是三个完全相同的时钟，A 放在地面上，B、C分别放在以速度v B和v C朝同一方向飞行的两枚火箭上，且v B<v C.地面上的观察者认为哪个时钟走得最慢？哪个时钟走得最快？练1假设有一名考生用90分钟完成了一场考试，一艘飞船相对此考生以c的速度匀速飞过(c为真空中的光速)，则飞船上的观察者认为此考生考完这场考试所用的时间()A．小于90分钟B．等于90分钟C．大于90分钟D．等于45分钟练2(多选)A、B两架飞机沿地面上一足球场的长边方向在其上空高速飞过，且v A>v B，对于在飞机上人的观察结果，下列说法正确的是()A．A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的大B．A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的小C．两飞机上的人观察到足球场的长度相同D．两飞机上的人观察到足球场的宽度相同要点二对牛顿力学、相对论及量子力学的认识牛顿力学、相对论及量子力学的比较牛顿力学自然界中宏观、低速物体的运动，都服从牛顿力学的规律相对论空间、时间、质量与运动相联系；阐述了物体在以接近光速运动时所遵循的规律量子力学微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性；正确描述微观粒子的运动规律【例3】(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公里外的云南丽江高美古站，首次实现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() A．牛顿力学适用于描述“墨子号”绕地球运动的规律B．牛顿力学适用于描述光子的运动规律C．量子力学可以描述“墨子号”发出的“两道红光”的运动规律D．量子力学的发现说明牛顿力学已失去了实用价值练3关于牛顿力学的局限性，下列说法正确的是()A．牛顿力学适用于宏观低速运动的物体B．由于牛顿力学局限性，所以一般力学问题都用相对论来解决C．火车提速后，有关速度问题不能用牛顿力学来处理D．牛顿力学只适用于像地球和太阳那样大的宏观物体练4(多选)关于牛顿力学、相对论与量子力学的说法正确的是()A．当物体的速度接近光速时，牛顿力学就不适用了B．相对论和量子力学的出现，使牛顿力学失去了意义C．量子力学能够描述微观粒子运动的规律性D．万有引力定律也适用于强引力场思考与讨论 (教材P 67)0.99 c 的速度飞行，若选择μ子为参考系，此时μ子的平均寿命是多少？对于地面上的观测者来说，平均寿命又是多少？提示：根据Δt ＝Δτ1－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2t ＝错误!≈21 μs.1．下列运动中不能用经典力学规律描述的是( ) A ．子弹的飞行 B ．粒子接近光速的运动C ．人造卫星绕地球运动D ．和谐号从深圳向广州飞驰2．如图所示，强强乘速度为c (c 为真空中的光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为c ，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 ．cB ．cC ．cD ．c3．某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行．如果希望把路程缩短为3光年，则他所乘飞船相对地球的速度为( )A ．cB ．cC cD ．c 4.(多选)如图所示，你站在水平木杆AB 的中央附近，并且看到木杆落在地面上时是两端同时着地的，所以，你认为该木杆是平着落到了地面上；若此时飞飞小姐正以接近光速的速度从你前面掠过，她看到B 端比A 端先落地，因而她认为木杆是向右倾斜着落地的．她的看法是( )A．正确的B．错误的C．她应感觉到木杆在朝她运动D．她应感觉到木杆在远离她运动5．(多选)甲乘客乘坐在接近光速的火车上，乙观察者站在铁轨附近的地面上，甲、乙两人手中各持一把沿火车前进方向放置的米尺．则下列说法正确的是()A．甲看到乙手中尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度要长B．甲看到乙手中尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度要短C．乙看到甲手中尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度要长D．乙看到甲手中尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度要短6．地面上长100 km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30 km/s的速度掠过，则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少？如果火箭的速度达到c，则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少？。

2019-2020学年高一物理复习学案（人教版新教材必修2）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．【知识要点】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,并证明了电磁波的速度等于光速C。

2、1887年的迈克耳孙—莫雷实验以及其他一些实验表明:在不同参考系中,光的传播速度都是一样的。

3、狭义相对论的两个基本假设①爱因斯坦相对性原理:在不同的参考系中,一切物理规律都是相同②)光速不变原理:真空中的光速在不同的参考系中都是相同的。

4、相对论时空观（1）时间的相对性———"钟慢效应'时间的相对性符合以下规律:式中△t，是运动体中的观察者观察到的时间间隔,△t 是地面上的观察者观察到的时间间隔。

由于,所以△t，＞△t,即运动体中的观察者观察到的时间间隔变短了,从地面上观察运动物体的时间变慢了。

这就是所谓的"钟慢效应"。

（2）空间的相对性——"尺缩效应"空间的相对性符合以下规律:中L，是运动体中的观察者测得的长度,L 是地面上的观察者测得的长度。

由于，所以L<L，,即地面上的观察者观察到运动物体的长度变短了。

这就是所谓的"尺缩效应"二、牛顿力学的成就和局限性1、成就:牛顿力学的基础是牛顿运动定律,牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域,包括天体力学的研究中接受了实践的检验,取得了巨大的成就。

2、局限性:牛顿力学能够精确的描述宏观物体的运动规律,但对微观粒子的波粒二象性无能力,量子力学能够正确地描述微观粒子运动的规律性。

3、经典力学适用范围只能用于宏观、低速（与光速相比)的情形,且只在惯性参考系中成立。

7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性1.基础达标练一、单选题（本大题共10小题）1. 下列说法正确的是( )A. 牛顿定律适合于解决宏观、低速的物体运动问题B. 在真空中相对于不同的惯性参考系光速是不同的C. 在高速运动的列车中的钟表比静止在地面上的钟表走的快D. 在地面观察高速行进的列车时，测其长度会比它静止时的长度大【答案】A【解析】1、狭义相对论的两个基本假设：①物理规律在所有惯性系中都具有相同的形式，这叫做相对性原理；②在所有的惯性系中，光在真空中的传播速率具有相同的值c，这叫光速不变原理；它告诉我们光(在真空中)的速度c是恒定的，它不依赖于发光物体的运动速度。

2、狭义相对论的几个重要的效应：①钟慢效应：运动的钟比静止的钟走得慢，而且运动速度越快，钟走的越慢，接近光速时，钟就几乎停止了；②尺缩效应：在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短，当速度接近光速时，尺子缩成一个点；③质量变大：质量(或能量)并不是独立的，而是与运动状态相关的，速度越大，质量越大。

【解答】A.牛顿定律是经典物理学的基础，仅适用于低速、宏观领域，故A正确；B.根据狭义相对论可知，在所有的惯性系中，光在真空中的传播速率具有相同的值c，这叫光速不变原理，故B错误；C. 根据狭义相对论的钟慢效应可知，在高速运动的列车中的钟表比静止在地面上的钟表走的慢，故C错误；D.根据狭义相对论的尺缩效应可知，在地面观察高速行进的列车时，测其长度会比它静止时的长度小，故D错误。

2. 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. 经典力学包含于相对论之中，经典力学是相对论的特例【答案】D【解析】解：、经典力学是狭义相对论在低速( )条件下的近似，即只要速度远远小于光速，经过数学变换狭义相对论的公式就全部变化为牛顿经典力学的公式，故A错误；B、、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；故BC错误；D、经典力学是狭义相对论在低速( )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，故D正确。