高中物理【相对论时空观与牛顿力学的局限性】学案及练习题

高中物理【相对论时空观与牛顿力学的局限性】学案及练习题

学习目标要求核心素养和关键能力

L知道爱因斯坦的两条假设，了解时间延缓效应、长

度收缩效应，认识牛顿力学的成就与局限性。

2.知道牛顿力学的适用范围，认识物理学中理论的相1.物理观念：爱因斯坦的相对论。

对稳定性，要有质疑精神。2.科学思维：质疑与实验论证。

3.认识迈克耳孙一莫雷实验对光速不变原理的推动

作用，体会实验和理论的相互关系。

-------------------?必备知识自主学习6

-相对论时空观

L19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年的迈克耳孙一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。

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：完成同一动作，在相对于地面以。运动的惯性参考系上的时间间隔

Ar和在地面上的人观察到的时间间隔△/之间的关系是∆r=Λ——

三。

由于物体的速度不可能达到光速，所以1一9）2<1,总有△/>〃，此种情况称为时间延缓

效应。

5.长度收缩效应：如果与杆相对静止的人测得杆长是∕o,沿着杆的方向，以。相对杆

运动的人测得杆长是/,那么两者之间的关系是I=TT-杼。

由于1一?）2<1，所以总有k/o,此种情况称为长度收缩效应。

6.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。

二牛顿力学的成就与局限性

1.电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，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，而量子力学能够很好地描述微观粒子的运动规律。

2.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。

-------------------?关键能力合作探究。

要点1相对论时空观

探究导入静止在地球上的人测得地月之间的距离为∕0,坐在从地球高速飞往月球

的飞船里的航天员测得的地月之间的距离仍为/()吗？

提示：不是，航天员测得的地月之间的距离小于/°。

『探究归纳

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的物体。

(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。

注：对于低速运动问题，一般用牛顿力学规律来处理。对于高速运动问题，牛顿力学已

不再适用，需要用相对论知识来处理。

2.爱因斯坦假设中的主要效应

(1)长度收缩效应：运动长度/会收缩，即I=叭11-M

(2)时间延缓效应：运动时钟会变慢，即At=一二^

2

P/rV

典例一支静止时30m的火箭以3km/s的速度从观察者的身边飞过。

(1)观察者测得火箭的长度应为多少？

(2)火箭上的人测得火箭的长度应为多少？

(3)如果火箭的速度为光速的二分之一，观察者测得火箭的长度应为多少？

(4)火箭内完好的手表走过了Imin,地面上的人认为经过了多少时间？

［思路点拨］解此题的关键是理解公式/=4)\/1一,、中各符号的意义。

ʌ/r

［解析］火箭上的人相对火箭永远是静止的，无论火箭速度是多少，火箭上的人测得的

火箭的长与静止时测得的火箭的长均是/=30m,而火箭外面的观察者看火箭时，有相对速

度v,则它的测量值要缩短，即/'</,由I=Io∖∣1一不得，当。=3Xl()3m∕s时，Γ=30×

y∣1—1O^1°m^30m,当0=］时，/'P26m。火箭上时间∆r=lmin,火箭的速度o=3km∕s,

△工1

所以地面上观测到的时间I—=—/

∆r=—2minmino

I1V/3×10∖

v^?寸一(荻/

［答案］(1)30m(2)30m(3)26m(4)1min

［名师点评］

理解相对论效应的两点注意

(1)时间延缓效应是一种观测效应，不是时钟走快了或走慢了，也不是被观测过程的节

奏变化了。

(2)长度收缩效应也是一种观测效应，不是物体本身发生了收缩。另外，在垂直于运动

方向上不会发生收缩效应。

针对

L有兄弟两人，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。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，物体上的时间进程越慢，生理进程也越慢

D.这是神话，科学无法解释

解析：上述故事反映的是爱因斯坦的相对论，爱因斯坦是20世纪伟大的科学家之一，

提出相对论，揭示了空间、时间的辩证关系。根据爱因斯坦的相对论，物体高速运动时，运

动物体的尺寸变短了，时钟变慢了，因此运用爱因斯坦的相对论可以解释题目中的现象，即

物体速度越大，物体上的时间进程越慢，生理进程也越慢，故选C。

答案：C

2.在静止坐标系中测得正立方体边长为/°，另一坐标系以相对速度。平行于正立方体

的一边运动。问在后一坐标系中，观察者测得的立方体的体积是多少？

解析：本题中正立方体相对于另一坐标系以速度。运动，一条边与运动方向平行，则坐

标系中观察者测得该条边的长度为ι=hy∣ι-ζ)2›

23-2

测得立方体的体积为V=I0I=Ioʌʃ1(ɛ)-

答案：fe3ΛJ1-(⅞2

要点2牛顿力学的局限性

探究导入(1)牛顿第二定律属经典力学理论，它在高速世界还适用吗？

(2)相对论、量子力学否定了牛顿力学吗？

提示：(1)在高速世界中，物体的质量随着速度的增加而变大，物体的加速度不一定与

它所受的外力成正比，牛顿第二定律不再适用。

(2)相对论、量子力学没有否定牛顿力学，牛顿力学是相对论、量子力学在一定条件下

的特例。

『探究归纳

1.牛顿力学

牛顿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。

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，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。

3.牛顿力学的伟大成就

牛顿力学和天文学相结合，建立了天体力学：牛顿力学和工程实际相结合，建立了各种

应用力学，如流体力学、材料力学、结构力学等。所有宏观物体的运动问题，都服从牛顿力

学的规律。

4.牛顿力学的局限性

牛顿力学有自身的局限性，它不适用于高速运动，也不适用于微观领域。在高速运动中，

相对论可以描述其运动规律，量子力学可以描述微观粒子的运动规律。但相对论和量子力学

并未否定牛顿力学，只认为牛顿力学是在一定条件下的特殊情形。

典例

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相互作用力

［解析］牛顿力学只适用于低速宏观的物体，故A正确；相对论和量子力学的出现，并

没有否定牛顿力学，只是说牛顿力学有一定的适用范围，故B错误；量子力学描述了微观

粒子运动的规律性，故C正确：万有引力定律只适用于弱相互作用力，而对于强相互作用

力是不适用的，故D错误。

［答案］AC

针对

3.关于相对论时空观与牛顿力学的局限性，下列说法中正确的是（)

A.相对论和量子力学更加深入地研究运动规律，彻底否认了经典力学

B.相对论认为真空中的光速在不同的惯性参考系中是不同的

C.牛顿定律不适用于研究中国空间站天和核心舱的高速发射

D.经典力学是相对论及量子力学在一定条件下的特例

解析：相对论和量子力学并没有否定经典力学，只认为经典力学是在一定条件下的特殊

情形，故A错误；根据狭义相对论的光速不变原理，真空中的光速在不同的惯性参考系中

是相同的，故B错误：牛顿定律属于经典力学的研究范畴，适用于宏观、低速运动的物体，

低速和高速的标准是相对于光速而言的，可判定牛顿定律适用于研究中国空间站天和核心舱

的高速发射，故C错误；经典力学是相对论及量子力学在一定条件下的特例，它包含于相

对论和量子力学中，故D正确。

答案：D

课堂检测素养达标A

1.关于经典力学、相对论和量子力学，下列说法中正确的是（）

A.相对论和经典力学是相互对立、互不相容的两种理论

B.经典力学包含于相对论之中，经典力学是相对论的特例

C.经典力学只适用于宏观物体的运动，量子力学只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：相对论没有否定经典力学，经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形，选项A

错误，B正确；经典力学适用于宏观、低速、弱引力的领域，选项C、D错误。

答案：B

2.一艘太空飞船静止时的长度为30m,他以0.6C（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30m

B.地球上的观测者测得该飞船的长度小于30m

C.飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于C

D.地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于C

解析：由I=Io1一。）2知A错误，B正确；由相对论时空观的基本假设知光信号的

速度都等于c,C、D错误。

答案：B

3.A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面