第七章 5．相对论时空观与牛顿力学的局限性-【名师导航】2025-2026学年高中物理必修第二册教师用书word（人教版）江苏专用

本高中物理讲义聚焦相对论时空观与牛顿力学的局限性，系统梳理爱因斯坦两个假设、光速不变原理、时间延缓与长度收缩效应，以及牛顿力学在宏观低速适用而微观高速受限的核心内容，构建从经典到相对论时空观的认知支架。 资料通过思考辨析题培养科学论证与质疑创新能力，结合星际航行等新情境题深化科学推理与模型建构，分层作业设计兼顾课中教学与课后巩固，助力学生形成物理观念，提升科学思维与科学态度。

5．相对论时空观与牛顿力学的局限性 [学习目标] 1．知道爱因斯坦两个假设的基本内容，初步了解相对论时空观。 2．知道光速不变原理，会用长度收缩效应和时间延缓效应分析问题。 3．认识牛顿运动定律的局限性，体会人类对自然界的探索是不断深入的。 知识点一　相对论时空观 1．光速不变 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，光的传播速度都是一样的。 2．爱因斯坦假设 (1)在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。 (2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。 3．时间和空间的相对性 (1)时间延缓效应 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＝。 由于物体的速度不可能达到光速，所以1－＜1，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＝。 由于1－<1，所以总有l<l0，此种情况称为长度收缩效应。 4．相对论时空观 Δt＝和l＝l0表明运动物体的长度(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。它所反映的时空观称作相对论时空观。 1．思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，这是经典物理学家的观点。 (√) (2)一根杆的长度静止时为l0，不管杆如何运动，杆的长度均小于l0。 (×) (3)“动钟变慢”是时钟的精度因运动而发生了变化。 (×) 知识点二　牛顿力学的成就与局限性 1．牛顿力学的成就：从地面上物体的运动到天体的运动，都服从牛顿力学的规律。 2．牛顿力学的局限性 (1)微观世界：电子、质子、中子等微观粒子，它们不仅具有粒子性，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。 (2)牛顿力学只适用于低速运动、宏观世界，不适用于高速运动、微观世界。 2．思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)经典力学一般不适用于微观粒子。 (√) (2)对于宏观物体的低速运动问题，相对论、量子力学与经典力学是一致的。 (√) 1．如图所示，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宇航员测得地月之间的距离仍为l0吗？ 提示：不是，宇航员测得的地月之间的距离小于l0。 2．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。 考点1　相对论时空观的理解 1．狭义相对论的两个假设 1905年，爱因斯坦提出了两条基本假设(狭义相对论的基础)。 (1)相对性原理 物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。 (2)光速不变原理 在一切惯性参考系中，测得的真空中的光速c都相同。 2．(1)时间延缓效应：如果相对于地面以v运动的惯性参考系上的人，观察与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ，那么地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt，有Δt＝，c为真空中的光速，总有Δt>Δτ。 理解：①对同一物理过程经历的时间，在不同的惯性系中观测，测得的结果不同，时间延缓效应是一种观测效应，不是被测过程的节奏变化了。②惯性系速度越大，地面上的人观测到的时间越长。③由于运动是相对的，故在某一参考系中观测另一参考系中发生的物理事件，总会感到时间延缓效应。即惯性系中的人观测地面上发生的事件的时间也延缓。 (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，有l＝l0，总有l＜l0。 理解：①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。②在垂直于运动方向上，物体不会发生收缩效应。③由于运动是相对的，故在某一参考系中观测另一参考系中沿杆方向的长度，总有长度收缩效应。即在静止惯性系中的人观测运动的杆，沿杆运动方向的长度发生收缩。 角度1　时间延缓效应 【典例1】　已知μ子低速运动时的平均寿命是3.0 μs。当μ子以0.99c的速度飞行。 (1)若选择μ子为参考系，此时μ子的平均寿命是多少？ (2)对于地面上的观测者来说，平均寿命又是多少？ [解析]　(1)相对于光速而言，低速运动即可近似认为速度为0，即若选择与μ子一起运动的某一物体为参考系，此时μ子的平均寿命是3.0 μs。 (2)对于地面上的观测者来说， Δt＝≈≈21.3 μs。 [答案]　(1)3.0 μs　(2)21.3 μs 角度2　长度收缩效应 【典例2】　一枚静止时长20 m的火箭以3 km/s的速度从观察者的身边掠过，观察者测得火箭的长度应为多少？火箭上的人测得火箭的长度应为多少？如果火箭的速度为光速的一半呢？ [解析]　由l＝l0可知v＝3 000 m/s＝，即地面上的人测得火箭长度为20 m，火箭上的人相对火箭静止，所以测得火箭长度也为20 m。 如果v＝c，则l＝l0＝17.32 m；地面上的人测得火箭长17.32 m，而火箭上的人测得火箭的长度为20 m。 [答案]　20 m　20 m　17.32 m　20 m 　应用相对论的两个效应分析问题的注意点 (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，并不是物体本身发生了收缩，另外在垂直于运动方向上不发生长度收缩效应。 (3)在两个惯性参考系中的观测者(相对高速运动)都会发现对方存在时间延缓效应和长度收缩效应。 [跟进训练] 1．(角度1)A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，vA＞vB，在火箭A上的人观察到的结果正确的是(　　) A．火箭A上的时钟走得最快 B．地面上的时钟走得最快 C．火箭B上的时钟走得最快 D．火箭B上的时钟走得最慢 A　[在火箭A上的人看来，地面和火箭B都高速远离自己，由Δt＝知，在火箭A上的人观察到的结果是地面和火箭B上的时钟都变慢了，且vA＞vB，故地面上的时钟最慢，故A正确，B、C、D错误。] 2．(角度2)如图所示，惯性系S中有一边长为l的正方形，从相对惯性系S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是(　　) A　　　　　　　　　B C　　　　　　　　　D C　[根据相对论效应知，沿x轴方向正方形边长缩短，沿y轴方向正方形边长不变，故其形状为长方形，C正确。] 考点2　牛顿力学的局限性 经典力学与相对论、量子力学的比较 (1)区别 ①经典力学适用于低速运动的物体；相对论是爱因斯坦假设阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律。 ②经典力学适用于宏观世界；量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律。 (2)联系 ①当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别。 ②当另一个重要常量即“普朗克常量”可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别。 ③相对论和量子力学并没有否定经典力学，经典力学是二者在一定条件下的特殊情形。 【典例3】　关于经典力学、爱因斯坦假设和量子力学，下列说法中正确的是(　　) A．爱因斯坦假设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 B　[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。] [跟进训练] 3．下列关于牛顿经典力学和爱因斯坦相对论中说法正确的是(　　) A．不论宏观物体，还是微观粒子，经典力学和相对论都适用 B．爱因斯坦相对论无论是宏观低速还是微观高速运动的物体都适用 C．当物体的运动速度远小于光速时，相对论和牛顿力学的结论是不一致的 D．随着物理学的发展，经典力学将逐渐成为过时的理论 B　[经典力学只适用宏观物体的低速运动，爱因斯坦相对论无论是宏观低速还是微观高速运动的物体都适用，B正确，A错误；当物体的运动速度远小于光速时，相对论和牛顿力学的结论是一致的，C错误；经典力学对宏观低速物体的运动仍然适用，D错误。] 1．对于时空观的认识，下列说法正确的是(　　) A．相对论给出了物体在低速运动时所遵循的规律 B．相对论具有普遍性，经典物理学为它在低速运动时的特例 C．相对论的出现使经典物理学在自己的适用范围内不再继续发挥作用 D．经典物理学建立在实验的基础上，它的结论又受到无数次实验的检验，因此在任何情况下都适用 B　[相对论给出了物体在高速运动时所遵循的规律，经典物理学为它在低速运动时的特例，在自己的适用范围内还将继续发挥作用。经典物理学有简捷的优势。因此A、C、D错误，B正确。] 2．如图所示，竖直墙上挂着一面时钟，地面上的静止的观察者A观察到钟的面积为S，另一观察者B以0.8c的速度沿平行于y轴方向运动，观察到钟的面积为S′。则S和S′的大小关系是(　　) A．S＞S′　　　　 B．S＝S′ C．S＜S′ D．无法判断 A　[观察者B以0.8倍光速沿平行于y轴方向运动，根据狭义相对论的长度收缩效应可知，B观察到的钟沿y轴方向的直径将减小，而沿z轴方向的直径不变，钟的面积比地面上静止的观察者观察到的面积要小，即S＞S′，故A正确。] 3．一枚静止时长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 D　[根据长度的相对性公式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。] 4．(新情境题，以星际航行为背景，考查时间延缓效应)星际航行是行星际航行和恒星际航行的统称，行星际航行是指太阳系内的航行，恒星际航行是指太阳系外的恒星际空间的飞行。不载人行星际航行已经实现，而恒星际航行尚处于探索阶段。 探究：半人马星座α星是离太阳系最近的恒星，它距地球为4.3×1016 m，设有一宇宙飞船自地球往返于半人马星座α星之间，若宇宙飞船的速度为0.999c，按地球上的时钟计算，飞船往返一次需多长时间？如以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为多长？ [解析]　以地球上的时钟计算： Δt＝＝ s≈2.87×108 s≈9年，若以飞船上的时钟计算，设时间为Δt′，由时间延缓效应有Δt＝，所以Δt′＝Δt＝2.87×108× s≈1.28×107 s≈0.4年。 [答案]　9年　0.4年 回归本节知识，自我完成以下问题： 1．爱因斯坦两个假设的内容是什么？ 提示：(1)在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。 (2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。 2．狭义相对论的两个效应是什么？ 提示：(1)时间延缓效应：运动时钟会变慢，即Δt＝。 (2)长度收缩效应：运动长度l会收缩，即l＝l0。 课时分层作业(十二)　相对论时空观与牛顿力学的局限性 题组一　相对论时空观 1．下列属于狭义相对论基本假设的是：在不同的惯性系中(　　) A．真空中光速不变 B．时间间隔具有相对性 C．物体的质量不变 D．物体的能量与质量成正比 A　[狭义相对论的基本假设有：(1)狭义相对论的相对性原理——在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；(2)光速不变原理——对任意惯性参考系，真空中的光速都相等。只有选项A正确。] 2．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方向接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光时，列车上的观察者看到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 C　[因列车沿AC方向接近光速行驶，故它靠近C远离A，所以光由B出发后，C的反射光先到达列车上的观察者，可知观察到C先被照亮，故C正确。] 3．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，而此时飞飞同学正以接近光速的速度从木杆前面掠过，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 C　[假设飞飞同学所在的参考系静止，则明明和杆所在的参考系将以接近光速的速度沿BA方向运动。在木杆下落的同时，假设车AB中央有一光源开始发光，根据光速不变原理可知，光到达B所用时间比A短，故B事件先发生，即B端先落地，从飞飞的角度看，木杆是向右倾斜着落地的。] 4．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 A　[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，可知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。] 5．某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行，如果地球指挥中心希望把这路程缩短为3光年，则他所乘飞船相对地球的速度为(　　) A．0.5c B．0.6c C．0.8c D．0.9c C　[由l＝l0＝，解得v＝c，故C正确。] 6．一张长方形宣传画长5 m、高3 m，平行地贴于铁路旁边的墙上，若一超高速列车以0.8c的速度沿铁路接近此宣传画，这张画由司机观察的图形是(　　) A．边长为3 m的正方形 B．长为3 m、高为1.8 m的长方形 C．长为5 m、高为1.8 m的长方形 D．长轴为3 m、短轴为1.8 m的椭圆形 A　[根据长度收缩效应有l＝l0，司机观察到宣传画的长度为5×0.6 m＝3 m，即图形是边长为3 m的正方形，故选项A正确。] 7．例如有一对孪生兄弟A和B，其中B乘坐速度为v＝0.9c的火箭飞往大角星(牧夫座α)，而后又飞回地球。根据A在地球上的观测，大角星离地球有36光年远，这次B往返飞行经历时间为80.8年。如果B在离开地球时，他们的年龄都为20岁，试问当B回到地球时，他们的年龄各有多大？ [解析]　设B在飞船惯性系中经历时间为t′，根据时间延缓效应得：t＝，即80.8＝，解得t′≈35.2年。所以B回到地球时的年龄为20＋35.2＝55.2(岁)；此时A的年龄为20＋80.8＝100.8(岁)。 [答案]　100.8岁　55.2岁 题组二　牛顿力学的局限性 8．牛顿运动定律不适用于下列哪种情况(　　) A．研究原子中电子的运动 B．研究“神舟二十号”飞船的高速发射 C．研究地球绕太阳的运动 D．研究飞机从北京飞往纽约的航线 A　[牛顿运动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，并注意到低速和高速的标准是相对于光速而言的，可判定牛顿运动定律适用于B、C、D中描述的运动，而A中情况不适用，故A正确。] 9．来自中国的“墨子号”量子卫星从太空发出两道红色的光射向青海德令哈站与千里外的云南丽江高美古站，首次实现了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．经典力学不适用于“墨子号”绕地球运动的规律 B．经典力学适用于光子的运动规律 C．量子力学可以描述“墨子号”发出两道红光的运动规律 D．量子力学的发现说明经典力学已经失去了应用价值 C　[经典力学适用于宏观、低速物体的运动，“墨子号”绕地球的运动属于宏观、低速的运动，而对于高速运动的光子，经典力学已经不再适用，故A、B错误；量子力学可以描述光子的运动规律，而且量子力学和经典力学的适用范围不同，各自在自己的范围内是有价值的，故C正确，D错误。] 10．关于经典力学理论，下列说法不正确的是(　　) A．经典力学是物理学和天文学的基础，也是现代工程技术的理论基础 B．经典力学的理论体系是经过几代科学家长期的探索，历经曲折才建立起来的 C．经典力学具有丰富的理论成果，也建立了验证科学的方法体系 D．当物体运动速度很大(v→c)、引力很强、活动空间很小(微观)时，经典力学理论所得的结果与实验结果之间符合得很好 D　[经典力学理论的建立历程曲折，成果显著，是物理学、天文学及现代工程技术的理论基础，但也存在一些局限性，当物体运动速度很大(v→c)、引力很强、活动空间很小(微观)时，经典力学理论所得的结果与实验结果之间出现了较大的偏差，选项A、B、C正确，D错误。] 2/12 学科网（北京）股份有限公司 $