第7章 第5节 相对论时空观与牛顿力学的局限性-【重难点手册】2024-2025学年高中物理必修第二册（人教版2019 浙江专用）

第七章万有引力与宇宙航行么9 第5节 相对论时空观与牛顿力学的局限性 重点和难点 课标要求 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 重点：了解相对论时空观和牛顿力学 烦域。 的成就与局限性 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 难点：牛顿力学时空观与相对论时空 隔相对性的表达式 观的主要区别 3.了解宇宙起源的大爆炸理论，知道科学真理是相对的，人类在不 懈的探索中必将揭开未知世界更多的谜底 01必备知识梳理一。 知识点1相对论时空观 1.牛顿力学时空观（绝对时空观）：时间与空间都是独立于物 巴拓视野 对爱因斯坦假设的 体及其运动而存在的， 进一步理解 2.狭义相对论的两个基本假设（爱因斯坦提出）】 1.第一条假设是对牛频 (1)在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，这个 力学相对性原理的推广，不论 在哪一个惯性系中做实验，都 假设通常称为狭义相对性原理。 不能确定该惯性系的绝对运 (2)真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，这个 动.绝对运动的描述只有相对 假设叫光速不变原理， 意义，绝对静止的参考系是不 存在的. 3.时间延缓效应 2.第二条假设实际上是 假设两个事件发生在某一运动系统中，△1是在地面上的观察 对实际结果的总结.它表明在 者测得的时间，△x是在运动系统中的观察者测得的时间，则有△t 任何惯性系中测得的真空中 的光速都相等，说明光速与观 △x 显然△>△x,也就是说，运动系统中的时间进程 察者及光源的运动状态无关 V1-( 3.爱因斯坦理论带来了 观念上的变革 变慢了，此种情况称为时间延缓效应. 牛顿力学：时问、长度、质 4.长度收缩效应 量、作用力的测量均与参考系 无关. 假设杆沿自身长度方向随某一运动系统一起运动，！是在地 狭义相对论：时间、长度、 面上的观察者测得的杆的长度，1。是在运动系统中的观察者测得 质量的测量具有相对性，与参 考系有关 的杆的长度，则有=6、1-（巴）.由于1-（侣）<1，所以总有 113 国滩食手细高中物理必修第二册J(浙江专用) <。,也就是说，运动系统中的长度变短了，此种情况称为长度收 缩效应， 5.相对论时空观：空间距离和时间进程都跟物体的运动状态 有关。 知识点2牛顿力学的成就与局限性 1.牛顿力学的成就 牛顿力学是指以牛顿三大定律为核心的矢量力学，有时也泛 指描述宏观低速物体机械运动的经典力学体系.其主要成就有如 下几个方面： (1)牛顿力学把天体和地面上物体的运动统一起来，从力学 国敲黑板 上证明了自然界多样性的统一，实现了人类对自然界认识的第一 通常所见的物体的运动 次理论大综合 皆为低速运动，如汽车，导弹、 (2)在研究方法上，人们把牛顿力学中行之有效的实验和数 人造卫星及宇宙飞船的运动 学相结合的方法推广到物理学的各个分支学科上，相继建立了热 等.有些微观粒子在一定条件 下的速度可以与光速相接近， 学、声学、光学、电磁学等，从而构建了完整的经典物理学体系。 这样的速度称为高速 (3)牛顿力学与其他基础科学相结合产生了一些交叉性的分 支学科，最早的是与天文学结合产生的天体力学，成为现代高度 发达的航空航天技术的理论基础，没有牛顿力学也就没有今天的 空间物理科学 2.牛顿力学的局限性 (1)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：只适用于弱引力情 况，不适用于强引力情况 (2)对于高速运动（速度接近真空中的光速），需要应用爱因 斯坦的相对论.当物体的运动速度远小于真空中的光速时，相对 论与牛顿力学的结论没有区别. (3)对于微观世界，需要应用量子力学，当普朗克常量可以忽 略不计时，量子力学和牛顿力学的结论没有区别. (4)对于强引力情况，需要应用爱因斯坦引力理论，当天体的 实际半径远大于它们的引力半径时，爱因斯坦引力理论和牛顿引 力理论计算出的力的差异并不是很大。 114 第七章万有引力与宇宙航行收国9 3.牛顿力学与相对论、量子力学的比较 牛顿力学 相对论、量子力学 物理学形成的初期阶段，受历 形成时期史发展限制，理论较肤浅」 形成于物理学充分发展的现代， 片面 理论较科学 低速运动、宏观世界、弱引力 适用范围 作用 适用范围更广 速度对质物体的质量不随其速度的变 物体的质量随其速度的增加而 量的影响 化而变化 变大 物体及其运动与时间、空间互 回拓视野 速度的 合成 不相干，关系式岸=水十 速度与位移、时间的测量有关， 岸一水十然培不成立 牛顿力学时空观与 V体岸成立 狭义相对论时空观 牛领力学时空说 传义相对论时空聪 牛顿的万有引力定律认为物 爱因斯坦引力理论认为物体间 引力规律 体间的引力符合“平方反比” 的引力不完全符合“平方反比” 相对的。光逢●她对的（不变） 规律 规律 蛇对的☐4问时相对的■ 以下两种情况，相对论或量子力学与牛顿力学的结论没有区别： 与运动无 时河 与逅动有关， 4与 联系 ①物体的速度远小于光速c(3×10°m/s)时 美，绝对的 空同 相对的 ②普朗克常量(6.63×104J·s)可以忽略不计时 与适动无 随速度增加 4质黄P 关，不更的 而增大 例①(2024·河南南阳一中高一月考)（多选）量子通信是利 用量子力学原理对量子态进行操控的一种通信形式，可以有效解 决信息安全问题.关于经典力学和相对论、量子力学，下列说法正 确的是( A.量子力学和经典力学对宏观物体和微观粒子都是适用的 B.经典力学理论的成立具有一定的局限性 C.量子力学适用于微观粒子的运动，经典力学适用于宏观物 体的运动 D.量子力学与相对论否定了经典力学理论 解析经典力学对微观粒子不适用，故A错误；经典力学理 论的成立具有一定的局限性，要在宏观低速、弱引力下才成立， 故B正确：量子力学适用于微观粒子的运动，经典力学适用于宏 观物体的运动，故C正确；量子力学与相对论没有否定经典力学 理论，经典力学理论在宏观、低速、弱引力下可以成立，故D错误. 答案BC 115 重雕点手细高中物理必修第二册， (浙江专用) 02-关键能动提升。 题型1对时间延缓效应的理解 D.如果梭镖和管子都以光速c相向运动， 例①(2024·西南大学附中高一月考)半 则二者的相对速度是2 人马星座α星是距离太阳系最近的恒星，它距 解物“尺缩”效应公式1=√1-（巴）】 离地球4.3×106m.设有一宇宙飞船自地球出 发往返于地球和半人马星座α星之间.若宇宙 中的【和1。是具有相对性的，到底是管子收缩 飞船的速度为0.999，按地球上的时钟计算， 变短还是梭镖收缩变短，要看观察者所处的参 飞船往返一次需多长时间？如以飞船上的时 考系.根据狭义相对论的尺缩效应，如果梭镖 钟计算，往返一次的时间又为多长？ 相对于观察者运动，那么梭镖收缩变短，而管 解析以地球上的时钟计算， 子长度不变，因此在某个位置，管子能完全遮 2×4.3×1016 住梭镖，故A正确，BC错误；由光速不变原理 0.999X3X108s≈2.87X10s 可知，物体的速度不会超过光速，故D错误. ≈9年 答案A 若以飞船上的时钟计算（原时），因为△= 题型3“同时”的相对性问题 例3如图所示，沿平直铁路线有间距相 1-() 等的三座铁塔A、B和C.假想有一列车沿AC 所以得△=△，1-() 方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪 =2.87×108× 光，列车上的观察者测得A、C两铁塔被照亮的 √1-0.999s≈1.28×107s≈0.4年 顺序是( 题型2对长度收缩效应的理解 例2(2024·福建厦门湖滨中学高一月 考)如图所示，假设一根10cm长的梭镖以接 近光速穿过一根10cm长静止的管子，它们的 长度都是在静止状态下测量的.以下叙述中最 好地描述了梭镖穿过管子情况的是(). A.同时被照亮 B.A先被照亮 》 C.C先被照亮 D.无法判断 A.静止的观察者看到梭镖收缩变短，因此 解析列车上的观察者看到的是由B发出 在某个位置，管子能完全遮住梭镖 后经过A和C反射的光，由于列车在这段时间 B.静止的观察者看到梭镖变长，因此在某 内向C运动，靠近C而远高A,所以C的反射 个位置，梭镖从管子的两端伸出来 光先到达列车上的观察者，观察者看到C先被 C.静止的观察者看到两者的收缩量相等， 照亮，故C正确. 因此在某个位置，管子仍恰好遮住梭镖 答案C 116