第7章 5 相对论时空观与牛顿力学的局限性-【优化探究】2025-2026学年新教材高中物理必修第二册同步导学案配套PPT课件（人教版）单选

5　相对论时空观与牛顿力学的局限性 第七章　万有引力与宇宙航行   [学习目标]　1.知道爱因斯坦的两个假设的内容(重点)。2.知道时间延缓效应及长度收缩效应结论的内容(重难点)。3.认识牛顿力学的局限性和适用范围。4.了解相对论、量子力学和牛顿力学的关系。 课时作业 巩固提升 要点1　相对论时空观 要点2　牛顿力学的成就与局限性 内容索引 要点1　相对论时空观 一 4 梳理 必备知识 自主学习 1.19世纪,物理学家　　　 　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　　　　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:在不同的参考系中,光的传播速度　　　　　　　!这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系　　　　。  麦克斯韦　 等于 都是一样的　 不符 3.爱因斯坦假设 (1)在不同的　　　　参考系中,物理规律的形式都是　　　　的。  (2)真空中的　　　　在不同的惯性参考系中大小都是　　　　的。  惯性　 相同 光速　 相同 4.相对论时空观 (1)时间延缓效应 ①如果相对于地面以v运动的惯性参考系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完成这个动作的时间间隔为Δt,那么两者之间的关系是Δt=。 ②Δt与Δτ的关系总有Δt　　　　(选填“>”“<”或“=”)Δτ,即物理过程的快慢(时间进程)与运动状态　　　　(选填“有关”或“无关”)。  >　 有关 (2)长度收缩效应 ①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=l0。 ②l与l0的关系总有l　　　　(选填“>”“<”或“=”)l0,即运动物体的长度(空间距离)跟物体的运动状态　　　　(选填“无关”或“有关”)。  <　 有关 [思考与讨论] (1)如图,高速运行的列车车厢,车顶上有一个反光镜,列车上一个人对着反光镜发射一束光。   列车上的人和地面上的人观察到的光的往返时间是否相同? 提示:(1)不同。 (2)静止在地球上的人测得地月之间的距离为l0,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l0吗? 提示: (2)不是,航天员测得的地月之间的距离小于l0。 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的运动皆为低速运动。 (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。 归纳 关键能力 合作探究 2.爱因斯坦假设中的主要效应及理解 (1)两个主要效应 ①长度收缩效应:运动长度l会收缩,即l=l0 。 ②时间延缓效应:运动时钟会变慢,即Δt= 。 (2)理解 ①时间延缓效应的理论依据是光速不变原理。时间延缓效应是时空的一种属性,在运动参考系中的时间节奏变缓慢了。 ②日常生活中的时间延缓效应可以忽略,但在运动速度接近光速时,其影响比较大。 ③同一物体的长度在不同的参考系内测量,会得到不同的结果,并且速度v越大,长度收缩得越多。 [例1]　一枚静止时30 m的火箭以3 km/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1 min,地面上的人认为经过了多少时间? [答案]　(1)30 m　(2)30 m　(3)26 m　(4)1 min [解析]　(1)(2)(3)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度与静止时测得的火箭的长度均是l0=30 m,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,由l=l0得,当v=3×103 m/s时,l=30× m≈30 m,当v=时,l'≈26 m。 (4)火箭上时间Δτ=1 min,火箭的速度v=3 km/s,所以地面上的人观测到的时间Δt== min≈1 min。 [例2]　假设地面上有一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 D [解析]　取路旁的人为惯性参考系,车上的人相对于路旁的人高速运动,根据长度收缩效应,人在运动方向上将变窄,但在垂直于运动方向上没有发生变化,故选D。 方法总结 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。 [针对训练]　1.飞船以0.9c的速度做匀速直线运动(c为光在真空中的传播速度),并向运动的反方向发出电磁波,甲在飞船内,乙在地球上,以下说法符合实际的是(　　) A.甲、乙观察到飞船内时钟快慢一样 B.发出的电磁波相对于飞船的速度为1.9c C.乙观察到飞船内桌子的长度比静止时短 D.乙观察到与飞船保持相对静止的桌子做匀加速直线运动 C 解析:根据狭义相对论的时间延缓效应可知,甲、乙观察到飞船内时钟快慢不一样,A错误;根据光速不变原理,在不同的惯性参考系中,光在真空中沿任何方向的传播速度均为c,即发出的电磁波相对于飞船的速度为c,B错误;根据狭义相对论的长度收缩效应,在相对于观察者移动的方向上,物体被测量的长度缩短,则乙观察到飞船内桌子的长度比静止时短,C正确;桌子与飞船保持相对静止,飞船以0.9c的速度做匀速直线运动,则乙观察到桌子也以0.9c的速度做匀速直线运动,D错误。 二 要点2　牛顿力学的成就与局限性 21 1.电子、质子、中子等微观粒子不仅具有　　　　,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　　　　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。 梳理 必备知识 自主学习 粒子性　 量子力学 [思考与讨论] (1)牛顿第二定律属于牛顿力学理论,它在高速世界还适用吗? 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)相对论和量子力学是不是否定了牛顿力学? 说说你的看法。 提示: (2)不是。当物体的运动速度远小于光速时,相对论与牛顿力学的结论没有区别;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。牛顿力学没有被否定,而是作为某些条件下的特殊情形,被包括在新的科学成就之中。 1.牛顿力学的成就 (1)把天体的运动与地面上物体的运动统一起来,实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。 (2)在宏观、低速、弱引力的广阔区域,包括天体力学的研究中,经受了实践检验,取得了巨大成就。 (3)将“实验和数学”相结合的方法推广到物理学的各个分支,形成了完整的经典力学体系。 归纳 关键能力 合作探究 2.牛顿力学的局限性 (1)物体在以接近光速运动时所遵从的规律,有些是与牛顿力学的结论并不相同的。 (2)在微观世界中(尺度在10-10 m以下),由于物质的存在和运动形式(波粒二象性)较宏观世界有较大的不同,牛顿力学也不适用。 [例3]　关于牛顿力学理论,下述说法中正确的是(　　) A.牛顿力学适用于宏观、低速、弱引力场 B.相对论和量子力学证明了牛顿力学是错误和过时的 C.牛顿力学认为时空是相对的 D.牛顿力学可以预言各种尺度下的运动 　A [解析]　牛顿力学适用于宏观、低速、弱引力场,A正确;相对论和量子力学适用于微观高速粒子的运动,并没有否定牛顿力学,B错误;牛顿力学认为时间和空间都是绝对的,C错误;牛顿力学不适用于微观、高速情况下的运动,D错误。 [例4]　牛顿力学不适用于下列哪些运动(　　) A.火箭的发射　　　　　　　　　 B.宇宙飞船绕地球的运动 C.勇气号宇宙探测器的运行　　 D.微观粒子的波动性 D [解析]　牛顿力学适用于宏观、低速物体的运动,而研究微观粒子的波动性时牛顿力学不再适用,选项D正确,A、B、C错误。 [针对训练]　2.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,彻底否认了牛顿力学 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.牛顿力学是相对论及量子力学在一定条件下的特例 D 解析:相对论和量子力学并没有否定牛顿力学,只认为牛顿力学是在一定条件下的特殊情形,故A错误;根据狭义相对论的光速不变原理可知,真空中的光速在不同的惯性参考系中是相同的,故B错误;牛顿定律属于牛顿力学的研究范畴,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;牛顿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。 三 课时作业 巩固提升 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 1.下列说法正确的是(　　) A.经典物理学家认为如果两个事件在一个参考系中是同时的,在另一个参考系中不是同时的 B.对于宏观物体的低速运动问题,量子力学与牛顿力学的结论是一致的 C.牛顿力学不仅适用于宏观物体的低速运动,也适用于微观粒子的高速运动 D.相对论与量子力学否定了牛顿力学理论 B 解析:经典物理学家认为,如果两个事件在一个参考系中认为是同时的,在另一个参考系中一定也是同时的,而根据爱因斯坦的两个假设,同时是相对的,故A错误;相对论和量子力学的出现,并没有否定牛顿力学,牛顿力学是相对论和量子力学在低速、宏观条件下的特殊情形,故B正确,D错误;牛顿力学只适用于宏观物体的低速运动,故C错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2.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:前三个选项说的都属于“宏观世界”,但都有片面性,没有全面描述,D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 D 3.下列运动中,不能用牛顿力学规律描述的是(　　) A.子弹的飞行　　　 B.粒子接近光速运动 C.复兴号动车从广州向北京奔驰 D.神舟十三号飞船绕地球运动 解析:牛顿力学规律只适用宏观低速物体,不适用微观高速粒子的运动,则不能用牛顿力学规律描述的是粒子接近光速的运动,故选B。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 B 4.话说有兄弟两个,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,则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 C.由相对论可知,物体速度越大,其时间进程越慢,生理进程也越慢 D.这是神话,科学无法解释 解析:根据公式Δt=可知,物体的速度越大,其时间进程越慢,C正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 C 5.如图所示,质量与身高均相同的甲、乙两人分别乘坐速度为0.6c和0.8c(c为光速)的飞船在太空中同向运动。下列说法中正确的是(　　) A.乙观察到甲身高变高 B.甲观察到乙身高变低 C.若甲向乙挥手,则乙观察到甲动作变快 D.若甲向乙发出一束光进行联络,则乙观察到该光束的传播速度为c 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 D 解析:因为人是垂直于速度方向站立的,身高方向上没有发生长度收缩效应,即甲、乙观察到对方的身高都不变,故A、B错误;根据相对论的时间延缓效应可知,乙观察到甲动作变慢,故C错误;根据爱因斯坦光速不变原理,乙观察到该光束的传播速度仍为c,故D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 6.一艘太空飞船静止时的长度为30 m,它以0.6c(c为真空中的光速)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 m B.地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 m 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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 B 解析:由l=l0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。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 7.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vB和vC朝同一方向飞行的两枚火箭上,且vB<vC。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?   答案:C时钟走得最慢　A时钟走得最快 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:根据公式Δt=可知,相对于观察者的速度v越大,钟走得越慢,所以地面上的观察者认为C时钟走得最慢。地面上的A时钟相对于观察者的速度为零,所以A时钟走得最快。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 8.一枚静止时长度为30 m的火箭以1.5×108 m/s的速度从观察者的身边掠过,已知光速为3×108 m/s,观察者测得火箭的长度约为(　　) A.30 m　　　　　　　　　 B.15 m C.34 m D.26 m 解析:根据长度收缩效应有L=L0,得观察者测得火箭的长度为L=30× m≈26 m,故D正确,A、B、C错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 D 9.某考生现在正在完成100分钟的期末物理考试,假设一艘飞船相对该考生以0.3c的速度匀速飞过(c为真空中的光速),则飞船上的观察者根据相对论认为该考生考完这场考试所用时间(　　) A.大于100分钟 B.等于100分钟 C.小于100分钟 D.不能确定 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 A 解析:根据狭义相对论可知,飞船相对该考生以0.3c的速度匀速飞过时,飞船上的观察者认为该考生考完这场考试所用的时间t=>t0,即飞船上的观察者认为该考生考完这场考试所用的时间大于100分钟,选项A正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 10.来自中国的量子科学实验卫星墨子号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.牛顿力学不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“两道红色的光”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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 C 解析:牛顿力学可以用来描述宏观低速运动问题,故牛顿力学适用于描述墨子号绕地球运动的规律,故A错误;对于运动速度接近光速的物体的运动,不适合用牛顿力学来描述,故B错误;量子力学可以描述墨子号发出的“两道红色的光”的运动规律,因为红光运动速度为光速,所以需考虑相对论效应,应使用量子力学描述,故C正确;量子力学和牛顿力学适用范围不同,量子力学适用于高速运动,在宏观低速运动中,牛顿力学仍然适用,不能说牛顿力学已经失去了实用价值,故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 11.如图所示,沿平直铁路有间距相等的三座铁塔A、B和C。假想有一列车沿由A到C方向以接近光速行驶,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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 C 解析:列车上观察者以列车为参考系,观察到的是由B发出后经A、C反射的光,由于列车在这段时间内靠近C而远离A,所以C的反射光先到达列车上的观察者,即铁塔C先被照亮,选项C正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 12.如图所示,假设一根10 cm长的梭镖以接近光速的速度穿过一根10 cm长的静止的管子,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.静止的观察者看到梭镖收缩变短,因此在某个位置,管子能完全遮住梭镖 B.静止的观察者看到梭镖变长,因此在某个位置,梭镖从管子的两端伸出来 C.静止的观察者看到两者的收缩量相等,因此在某个位置,管子仍恰好遮住梭镖 D.如果梭镖和管子都以光速c相向运动,则二者的相对速度是2c 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 A 解析:梭镖相对于静止的观察者高速运动,根据相对论的长度收缩效应可知,梭镖长度收缩变短,而管子相对于观察者是静止的,管子长度不变,因此在某个位置,管子能完全遮住梭镖,故A正确,B、C错误;如果梭镖和管子都以光速c相向运动,根据光速不变原理知,二者的相对速度是c,故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 $$