7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性高一物理学与练（人教版2019）

7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性学习目标学习目标课程标准学习目标1．知道牛顿力学的局限性，体会人类对自然界的探索是不断深入的。2．初步了解相对论时空观。3．关注宇宙起源和演化的研究进展。1、感受牛顿力学在高速世界与事实的矛盾，知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。知道相对论、量子论有助于人类认识高速、微观领域。2、知道爱因斯坦狭义相对论的基本假设，知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。3、了解宇宙起源的大爆炸理论，知道科学真理是相对的，未知世界必将在人类不懈的探索中被揭开更多的谜底。002预习导学课前研读课本，梳理基础知识：一、两个假设(1)狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。(2)光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，光速和光源、观测者间的相对运动没有关系。二、两个效应(1)时间延缓效应：Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2))(2)长度收缩效应：l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2)三、质速关系：m＝eq\f(m0,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2))（二）即时练习：【小试牛刀1】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．【小试牛刀2】（多选）对于公式m＝eq\f(m0,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2))，下列说法中正确的是()A．公式中的m0是物体以速度v运动时的质量B．当物体运动速度v>0时，物体的质量m>m0，即物体的质量改变了，故经典力学不再适用C．当物体以较小的速度运动时，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的速度运动时，质量变化才明显，故经典力学仅适用于低速运动，而不适用于高速运动D．通常由于物体的速度太小，质量的变化不能引起我们的感觉，在分析地球上物体的运动时，不必考虑质量变化答案CD解析公式中的m0是物体的静止时的质量，在v远小于光速时，经典力学依然成立，故A、B错，C、D对．【小试牛刀3】π＋介子是一不稳定粒子，平均寿命是2.60×10－8s(在它自己参考系中测得)．(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【解析】(1)π＋介子在实验室中的寿命为＝s＝4.3×10－8s.(2)该粒子在衰变前运动的距离s＝v·Δt＝0.8×3×108×4.3×10－8m＝10.32m.003题型精讲【题型一】光速不变原理【典型例题1】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．0.4cB．0.5cC．0.9cD．c答案：D【典型例题2】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．【对点训练1】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【对点训练2】（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【题型二】时间延缓效应【典型例题3】(多选)接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相同的铯原子钟，飞船和地球上的人观测这两只钟的快慢，下列说法正确的有()A．飞船上的人观测到飞船上的钟较快B．飞船上的人观测到飞船上的钟较慢C．地球上的人观测到地球上的钟较快D．地球上的人观测到地球上的钟较慢解析：选AC相对论告诉我们，运动的钟会变慢，由于飞船上的人相对飞船上的钟是静止的，而观测到地球上的钟是高速运动的，因此飞船上的人观测到飞船上的钟相对于地球上的钟快，A正确，B错误；同样，地球上的人观测到飞船上的钟是高速运动的，因此地球上的人观测到地球上的钟比飞船上的钟快，C正确，D错误。【典型例题4】长度测量与被测物体相对于观察者的运动有关，一艘宇宙飞船的船身长度为l0＝90m，相对地面以v＝0.8c的速度在一观测站的上空飞过。(光速c＝3.0×108m/s)(1)观测站测得飞船的船身通过观测站的时间间隔是多少？(2)宇航员测得船身通过观测站的时间间隔是多少？解：(1)观测站测得船身的长度为l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2)＝54m，通过观测站的时间间隔为Δt＝eq\f(l,v)＝eq\f(54m,0.8c)＝2.25×10－7s(2)宇航员测得飞船船身通过观测站的时间间隔为Δt′＝eq\f(l0,v)＝eq\f(90m,0.8c)＝3.75×10－7【对点训练3】下列说法正确的是()A．全息照片的拍摄利用了光的衍射原理B．只有发生共振时，受迫振动的频率才等于驱动力频率C．高速飞离地球的飞船中的宇航员认为地球上的时钟变慢D．鸣笛汽车驶近路人的过程中，路人听到的声波频率与该波源的频率相比减小解析：选C全息照相利用了激光的频率单一，相干性好的特点，利用了光的干涉现象，故A错误；受迫振动的频率等于驱动力的频率，当驱动力的频率等于物体的固有频率时发生共振，故B错误；根据爱因斯坦相对论可知，时间间隔的相对性：t＝eq\f(t0,\r(1－\f(v2,c2)))，可知高速飞离地球的飞船中的宇航员认为地球上的时钟变慢，故C正确；根据多普勒效应可知，鸣笛汽车驶近路人的过程中，路人听到的声波频率与该波源的频率相比增大，故D错误。【对点训练4】有两个惯性参考系1和2，彼此相对做匀速直线运动，下列叙述正确的是()A．在参考系1看来，2中的所有物理过程都变快了；在参考系2看来，1中的所有物理过程都变慢了B．在参考系1看来，2中的所有物理过程都变快了；在参考系2看来，1中的所有物理过程也变快了C．在参考系1看来，2中的所有物理过程都变慢了；在参考系2看来，1中的所有物理过程都变快了D．在参考系1看来，2中的所有物理过程都变慢了；在参考系2看来，1中的所有物理过程也变慢了答案：D【题型三】长度收缩效应【典型例题5】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30mB．地球上的观测者测得该飞船的长度小于30mC．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解析：选B飞船上的观测者相对飞船静止，测得的长度仍为30m，而地球上的观测者观测高速飞行的飞船，长度缩短了，故A错误，B正确；根据狭义相对论的基本假设可知，飞船和地球上的观测者测得光信号的速度均为c，C、D错误。【典型例题6】如图所示，两艘飞船A、B沿同一直线同向飞行，相对地面的速度均为v(v接近光速c)。地面上的人测得它们相距为L，则飞船A上的人测得两飞船间的距离__________(选填“大于”“等于”或“小于”)L。当B向A发出一光信号，飞船A上的人测得该信号的速度为__________________。答案大于c(或光速)解析狭义相对论的两个基本原理之一就是光速不变原理，因此飞船A上的人测得信号的速度仍等于c(或光速)，以地面为参考系，在运动方向有尺缩效应现象，而B相对A是静止的，没有尺缩效应现象，则飞船A上的人测得两飞船距离应大于L。【对点训练5】[多选]下列说法中正确的是()A．地面附近有一高速水平飞过的火箭，地面上的人观察到“火箭长度”要比火箭上的人观察到的短一些B．拍摄玻璃橱窗内的物品时，往往在镜头前加一个偏振片以减弱反射光的强度C．在同种均匀介质中传播的声波，频率越高，波长也越长D．玻璃内气泡看起来特别明亮，是因为光线从气泡中射出的原因解析：选AB根据相对论可知，地面附近高速水平飞过的火箭，地面上的人观察到的火箭长度比火箭上的人观察到的要短一些，故A正确；拍摄玻璃橱窗内的物品时，往往在镜头前加一个偏振片以减弱玻璃反射的光的强度，故B正确；在同种均匀介质中传播的声波，波速一定，根据公式v＝λf可得，频率越高，波长越短，C错误；玻璃中的气泡看起来特别明亮是因为光从玻璃射向气泡时，一部分光在界面上发生了全反射，D错误。【对点训练6】惯性系S中有一边长为l的正方形(如图A所示)．从相对S系沿x方向以接近光速的速度匀速飞行的飞行器上测得此正方形的图形是()答案C解析根据相对性原理，当正方形沿x方向以接近光速的速度匀速飞行时，在运动方向上会出现长度收缩效应，而在垂直于运动方向上则不会出现长度收缩效应，故C正确．004体系构建狭义相对论的三个有用的结论(1)运动的时钟变慢了。(2)运动的尺子长度缩短了。(3)运动的物体质量增大了。005记忆清单1．狭义相对论的两个基本假设(1)狭义相对性原理:在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的。(2)光速不变原理:真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的,光速和光源、观测者间的相对运动没有关系。2．时间延缓效应与长度收缩效应(1)时间延缓效应:完成同一动作,在惯性参考系上的时间间隔Δτ和在地面上的人的时间间隔Δt之间的关系是Δt=Δτ由于1vc2<1,所以总有Δt>Δτ,此种情况称为时间延缓效应。(2)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由于1vc2<1,所以总有l<l0,此种情况称为长度收缩效应。00601强化训练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。即在地面参考系中观测，两接收器同时接收到光信号。(2)对于火车参考系来说，光源和A、B两接收器都沿BA方向运动，当光源发出的光向A、B传播时，A和B都沿着BA方向运动了一段距离到达A′和B′，如图所示，所以光到达A′的距离更长，到达B′的距离更短，即在火车参考系中观测，B比A先接收到光信号。2.（多选）下列说法中正确的是()A．根据牛顿万有引力定律，当星球质量不变，半径变为原来的一半时，星球表面上物体所受的引力将变为原来的4倍B．按照广义相对论，当星球质量不变，半径变为原来的一半时，星球表面上物体所受的引力将大于原来的4倍C．当天体的实际半径远大于引力半径时，根据爱因斯坦的引力理论和牛顿理论计算出的力差别很大D．当天体的实际半径接近引力半径时，根据爱因斯坦的引力理论和牛顿理论计算出的力相等答案：AB解析：爱因斯坦引力理论表明，当星球质量不变，半径变为原来的一半时，星球表面上物体所受的引力将大于原来的4倍．天体半径越小，根据爱因斯坦引力理论和牛顿理论计算出的力的差别越大．3.2021年10月5日，三位科学家因为他们立于科学前沿探索世间奥秘，而共享诺贝尔物理学奖。物理学史上许多物理学家的科学研究推动了人类文明的进程，关于相对论时空观与牛顿力学的局限性，下列说法正确的是（）A．经典力学能够说明微观粒子的规律性，仍能适用于宏观物体的高速运动问题B．相对论与量子力学的出现否定了经典力学，表示经典力学已失去意义C．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D．经典力学在现代广泛应用，它的正确性无可怀疑，仍是普遍适用的【答案】C【解析】经典力学具有一定的局限性，只能适用于宏观、低速运动的物体，而对于微观、高速运动的物体则不适用，并不具有普遍性，故AD错误；相对论与量子力学的出现并未否定经典力学，而是补充了经典力学的不足，它们并不能替代经典力学的地位，故B错误；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，故C正确。4.如图所示，一同学在教室上课，教室的长度为9m，教室中间位置有一光源。有一飞行器从前向后高速通过教室外侧，已知光速为c、飞行器中的飞行员认为（）A．教室中的时钟变快B．教室的长度大于9mC．从光源发出的光先到达教室后壁D．光源发出的光，向后的速度小于c答案：C5.（多选）在狭义相对论中，下列说法正确的是（）A．一切运动物体相对于观察者的速度都不能大于真空中的光速B．质量、长度、时间的测量结果都是随物体与观察者的相对运动状态而改变的C．惯性系中的观察者，观察一个与他做相对运动的时钟时，会看到这个时钟比与他相对静止的相同的时钟走得慢些D．大型粒子加速器能够将带电粒子加速至光速的99.9%，如果继续加速，粒子的速度将超过光速答案：ABC6.（多选）在狭义相对论中，下列说法正确的是（）A．一切运动物体相对于观察者的速度都不能大于真空中的光速B．质量、长度、时间的测量结果都是随物体与观察者的相对运动状态而改变的C．惯性系中的观察者，观察一个与他做相对运动的时钟时，会看到这个时钟比与他相对静止的相同的时钟走得慢些D．大型粒子加速器能够将带电粒子加速至光速的99.9%，如果继续加速，粒子的速度将超过光速【答案】ABC【解析】根据狭义相对论的速度变换公式可知，光速是物体的极限速度，一切运动物体相对于观察者的速度都不能大于真空中的光速，选项A正确；由质量相对性、长度相对性和时间间隔的相对性可知，质量、长度、时间的测量结果都是随物体与观察者的相对运动状态而改变的，例如在惯性系中的观察者，观察一个与他做相对运动的时钟时，会看到这个时钟比与他相对静止的相同的时钟走得慢些，选项B、C均正确；光速为极限速度，任何速度都不能超过真空中的光速，选项D错误。故选ABC。7.如图所示，一列火车以速度v相对地面运动。如果地面上的人测得某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁后壁，那么按照火车上人的测量，闪光（

）A．先到达前壁B．先到达后壁C．同时到达前后壁D．无法确定【答案】A【解析】地面上的人以地面为参考系，光向前向后传播的速度相等，某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁，向前传播的路程与向后传播的路程相同，由于火车向前运动，所以点光源的到火车的前面的距离小；车厢中的人认为，车厢是个惯性系，光向前向后传播的速度相等，点光源到火车前面的距离小，闪光先到达前壁。BCD错误；A正确。8．如图所示，位于教室中央的光源发出一个闪光，闪光照到了教室的前壁和后壁。教室的长度为10m。在平行于教室高速运动的太空飞船上的观察者（）A．测得照到前壁的光速度小于c B．观测到飞船上的时间进程比教室快C．测得教室的长度大于10m D．观察到光先到达后壁【答案】B【解析】根据光速不变原理，测得照到前壁的光速等于c，观察到光同时到达前壁和后壁，A错误；根据相对论原理，测得教室的长度小于10m，C错误；根据相对论原理，观测到飞船上的时间进程比教室快，B正确。9.如图所示，地面上A、B两处的中点处有一点光源S，甲观察者站在光源旁，乙观察者乘坐速度为v（接近光速）的火箭沿方向飞行，两观察者身边各有一个事先在地面校准了的相同的时钟，下列对相关现象的描述中，正确的是（）A．甲测得的光速为c，乙测得的光速为B．甲认为飞船中的钟变慢了，乙认为甲身边的钟变快了C．甲测得的间的距离小于乙测得的间的距离D.当光源S发生一次闪光后，甲认为A、B两处同时接收到闪光，乙则认为B先接收到闪光【答案】D【解析】根据爱因斯坦的光速不变原理，可知甲乙在两种不同的参考系里测出的光速都为c，故D错误；根据钟慢效应：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；甲认为飞船中的钟变慢了，乙认为甲身边的钟变慢了，故B错误；根据尺缩效应：在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短，可知甲测得的AB间的距离大于乙测得的AB间的距离，故C错误；当光源S发生一次闪光后，甲认为A、B两处同时接收到闪光，对乙而言，则乙认为B先接收到闪光，故D正确。10．（多选）如图甲，质子束被加速到接近光速；如图2乙，中子星是质量、密度非常大的星体，下列说法正确的是()A．经典力学适用于质子束的运动规律B．经典力学不适用于质子束的运动规律C．经典力学适用于中子星的引力规律D．经典力学不适用于中子星的引力规律答案：BD11．下列说法符合史实的是（）A．开普勒在牛顿定律的基础上，总结出了行星运动的规律B．万有引力常量由卡文迪许在实验室里测出C．牛顿建立的经典力学可以解决自然界中所有的问题D．“和谐号”动车组高速行驶时，在地面上测得的其车厢长度明显变短答案：B【解析】开普勒在他的导师第谷天文观测数据的基础上，总结出了行星运动的规律，故A错误；万有引力常量由卡文迪许在实验室里测出，故B正确；牛顿建立的经典力学也有其适用范围，没有那个理论能完全解决自然界中所有的问题，故C错误；根据爱因斯坦相对论可知，当物体的速度接近光速时，沿着运动方向的长度才明显缩短，然而“和谐号”动车组高速行驶时，速度仍达不到光速，则其车厢长度不变，故D错误。故选B。12.下列说法中正确的是(

)A.在中子星表面的强引力作用下，经典力学仍旧适用

B.经典力学适用于低速运