第5节 相对论时空观与牛顿力学的局限性

第5节相对论时空观与牛顿力学的局限性核心素养导学物理观念(1)知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。(2)知道相对论、量子力学有助于人类认识高速、微观领域。(3)知道爱因斯坦的两个假设。(4)知道时间延缓效应和长度收缩效应。科学思维(1)了解爱因斯坦的两个假设，知道牛顿力学的局限性。(2)能对时间延缓效应和长度收缩效应问题进行分析。科学态度与责任通过课内与课外阅读，知道相对论、量子力学和经典力学的关系，体会人类对自然界的探索是不断深入的。运动相同相同运动状态二、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_____________，_____________的建立与应用更是确立了人们对牛顿力学的尊敬。从地面上物体的运动到天体的运动，都服从__________的规律。2．牛顿力学的局限性电子、质子、中子等_________，它们不仅具有粒子性，同时还具有_______，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。牛顿运动定律万有引力定律牛顿力学微观粒子波动性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＝3×108m/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＝6.63×10－34J·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。1．地球绕太阳公转的速度是3×104m/s。某实验室的圆形粒子加速

器可以把电子加速到0.999999999987倍光速的速度，光速c＝

3×108

m/s。请思考：(1)地球的公转速度在狭义相对论中属于低速还是高速？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(如图所示)。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？提示：(1)地球公转速度属于低速，被加速器加速后的电子的速度属于高速。(2)不相同，随飞船旅行的时钟变慢(显示的时间短)。2．牛顿力学适用于地面上物体的运动及天体的运动，但不适用于高速运动的物体，及微观粒子的运动。具有一定的局限性。请对以下结论作出判断：(1)火车提速后，有关速度问题不能用牛顿力学来处理。

()(2)宏观物体在低速运动时，相对论与经典力学的结论是一致的。

()(3)在牛顿力学的适用范围内，运动的时钟和静止的时钟快慢相同。

()(4)电子在原子核外的运动规律不能用牛顿力学来解释。

()×√√√新知学习(一)|相对论时空观[重点释解]1．惯性系和非惯性系(1)牛顿运动定律能够成立的参考系为惯性系，相对于这个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。(2)牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系。2．相对性原理(1)根据麦克斯韦的电磁理论，真空中的光速在任何惯性系中都是一个常量。(2)迈克耳孙—莫雷实验证明：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是相同的。[典例体验][例1]

π＋介子是一种不稳定粒子，平均寿命是2.6×10－8s(在自己的参考系中测得)。(1)如果此粒子相对于实验室以0.8c的速度运动，那么在实验室坐标系中测量的π＋介子寿命多长？(2)π＋介子在衰变前运动了多长距离？[答案]

(1)4.3×10－8s

(2)10.32m[例2]有一段长100km的直线铁路，假设铁路上空有一飞行器沿铁路方向以30km/s的速度掠过。问：(1)飞行器上的人看到铁路的长度应该为多少？(2)假设飞行器的速度达到0.6c，则飞行器的人看到的铁路的长度又是多少？[答案]

(1)100km

(2)80km/方法技巧/(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。

[针对训练]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解析：狭义相对论的两个基本假设是相对性原理和光速不变原理，故D正确。答案：D

2．A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上，B、C分别放在两个火箭上，以速度vB和vC朝同一方向飞行，vB>vC。在地面上的人看来，关于时钟快慢的说法正确的是

(

)A．B钟最快，C钟最慢 B．A钟最快，C钟最慢C．C钟最快，B钟最慢 D．A钟最快，B钟最慢解析：根据狭义相对论的时间延缓效应可知，速度越大，钟走得越慢，选项D正确。答案：D3．(多选)A、B两架飞机沿地面上一足球场的长轴方向在其上空高速飞过，且vA＞vB，对于在飞机上的人观察结果，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答案：BD

新知学习(二)|经典力学与量子力学的比较[任务驱动]粒子对撞机可以把质子加速到接近于光速，如图所示。经典力学是否适用于质子的运动规律？如何研究质子的运动规律？提示：不适用，经典力学只适用于宏观低速运动，描述微观高速粒子的运动要用到量子力学和相对论。

[重点释解]1．低速与高速的理解(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．牛顿力学与相对论、量子力学的比较

牛顿力学(经典力学)相对论、量子力学区别(1)牛顿力学适用于低速运动的物体(2)牛顿力学适用于宏观世界(3)牛顿力学在弱引力的情况下与实验结果符合得很好(1)相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律(2)量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律(3)相对论能够解释强引力情况下的作用规律联系(1)当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与牛顿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，量子力学和牛顿力学的结论没有区别(3)相对论和量子力学并没有否定牛顿力学，牛顿力学是二者在一定条件下的特殊情形[针对训练]1．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：前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：D

2．(多选)关于牛顿力学、相对论和量子力学，下列说法正确的是

(

)A．相对论和牛顿力学是相互对立、互不相容的两种理论B．在物体高速运动时，物体的运动规律适用相对论理论，在低速运动时，物体的运动适用牛顿运动定律C．牛顿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，牛顿力学和量子力学都是适用的解析：首先必须知道，牛顿力学解决低速、宏观问题，高速运动和强引力作用问题应由相对论解决，微观问题应由量子力学解决。相对论并没有否定牛顿力学，而是认为牛顿力学是相对论理论在一定条件下的特殊情况，故选项A、D错误，B、C正确。答案：BC

3．关于经典时空观和相对论时空观，下列说法错误的是

(

)A．经典时空观认为时间和空间是独立于物体及其运动而存在的B．相对论时空观认为时间和空间与物体及其运动有关系C．经典力学只适用于宏观、低速运动问题，不适用于微观、高速运动问题D．当物体的运动速度远小于光速时，相对论和经典力学的结论仍有很大的区别解析：经典时空观认为时间和空间是独立于物体及其运动而存在的，而相对论时空观认为时间和空间与物体及其运动有关系，A、B正确；经典力学只适用于宏观、低速运动问题，不适用于微观、高速运动问题，C正确；当物体的运动速度远小于光速时，相对论和经典力学的结论没有区别，D错误。答案：D一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养

科学思维——“动尺变短”的应用1．(选自鲁科版新教材课后练习)惯性参考系S中有一边长为l的正方形。从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图像可能是

(

)解析：由相对论知识可知，运动的飞行器上观测到正方形应该在运动方向上的边长变短，而在垂直于运动方向上的边长不变，故选项C正确。答案：C

科学态度与责任——“中国天眼”与天文学家南仁东2．(选自鲁科版新教材“科学书屋”)被誉为“中国天眼”的射电望远镜(FivehundredmetersApertureSphericalRadioTelescope，FAST)由主动反射面系统、馈源支撑系统、测量与控制系统、接收机与终端及观测基地等几大部分构成。从1994年提出构想到2016年落成启用，历时22年，是我国具有自主知识产权，世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。目前“中国天眼”已发现若干脉冲星，人们期待其有进一步的天文发现。“中国天眼”的首席科学家兼总工程师南仁东(1945—2017)，为选择最佳台址，带着300多幅卫星遥感图，跋涉在中国西南的大山里，先后对比了1000多个洼地。工程建设中，他克服了技术、资金等重重困难，为工程的顺利完成作出了卓越的贡献。他用人生最后的22年，精益求精、坚毅执着地实现了一个梦想，用生命铸就了世人瞩目的“中国天眼”。二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值1．明明同学站在一条长木杆的中央附近，并且看到木杆落在

地上时是两头同时落地，所以明明同学认为这木杆是平着

落到了地上，若在木杆开始下落时飞飞同学正以接近光速的速度沿木杆方向从木杆中点前面掠过，如图所示，她看到

(

)A．两端同时落地B．A端比B端先落地C．B端比A端先落地D．木杆是向左倾斜着落地的解析：站在一条长木杆的中央附近的明明同学看到木杆落在地上时是两头同时落地；飞飞同学正以接近光速的速度从木杆中点前面掠过，飞飞同学以自己为参考系，认为杆以接近光速的速度向左运动的同时在下落，杆的B端在飞飞同学运动的前方，则飞飞同学看到B端先落地，即她看到木杆是向右倾斜着落地的，故C正确。答案：C

2．(2022·江苏常熟高一下期中)科学家曾宣布探测到引力波的存在。引力波是实验验证爱因斯坦相对论的最后一块缺失的“拼图”，相对论在一定范围内弥补了经典力学的局限性。关于经典力学，下列说法正确的是

(

)A．经典力学完全适用于宏观低速运动B．经典力学取得了巨大成就，是普遍适用的C．随着