第7章 5 相对论时空观与牛顿力学的局限性（Word教参）-【精讲精练】2025-2026学年高中物理必修第二册（人教版）

本高中物理讲义聚焦“相对论时空观与牛顿力学的局限性”，以经典力学的成就及适用范围（宏观、低速、弱引力）为起点，延伸至相对论时空观（光速不变原理、爱因斯坦假设、时间延缓与长度收缩效应），构建“经典认知-局限分析-理论拓展”的知识脉络，为学生提供从日常经验到高速微观世界的学习支架。 资料采用“原理阐释-情境探究-习题巩固”模式，通过孪生兄弟年龄差计算、μ介子大气层厚度分析等实例，引导学生运用公式推理，培养科学思维中的科学推理与模型建构能力。课中助力教师引导学生对比经典与相对论时空观，课后练习题强化时空效应计算与力学适用范围判断，促进知识内化与查漏补缺。

5　相对论时空观与牛顿力学的局限性 [学业要求] 1．了解经典力学的发展历程和伟大成就。 2．认识经典力学的局限性和适用范围。 3．初步了解微观和高速世界中奇妙现象。 4．知道相对论和经典力学的关系。 [对应学生用书P74] 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在同一地点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1－＜1， 所以总有Δt＞Δτ，此种情况称为__时间延缓效应__。 4．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＝l0，由于1－＜1，所以总有l＜l0，此种情况称为长度收缩效应。 二、牛顿力学的成就与局限性 1．牛顿力学的基础是__牛顿运动定律__，牛顿运动定律和万有引力定律在__宏观、低速、弱引力__的广阔领域，包括__天体力学__的研究中，经受了实践的检验，取得了巨大的成就。 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。 3．相对论和量子力学都没有否定过去的科学，而只认为过去的科学是自己在一定条件下的__特殊情形__。 [对应学生用书P74] 探究点一　对相对论时空观的理解 两个基本原理 1．相对性原理：所有物理规律在一切惯性参照系中都具有相同的形式，表明在任何惯性系中研究某个物体的某一运动过程，其运动规律的形式不变。 2．光速不变原理：在一切惯性参照系中，测量到的真空中的光速c都一样，表明了经典时空观与相对论时空观的不同。 　一对孪生兄弟，出生后甲乘高速飞船以0.8c的速度去旅行，测量出自己飞行30年回到地面上，乙在地面上生活，问甲回来时30岁，乙多少岁？ [解析]　由时间延缓效应公式得Δt＝＝＝50年 即乙已经50岁。 [答案]　50岁 1．在宇宙射线中，一束μ介子以v＝0.998c的速度朝地球方向飞行，该μ介子产生时位于8000 m厚的大气层外，那么在与μ介子相对静止的参考系中观测到的大气层的厚度是多少？ 解析　由于大气层相对于惯性系以速度v＝0.998c向上运动着，则在该惯性系中测得的大气层的厚度可由长度收缩效应公式求得： l＝l0＝8000 m≈506 m。 答案　506 m 探究点二　牛顿力学的局限性 1．牛顿力学与相对论、量子理论的区别 狭义相对论 牛顿力学适用于低速运动的物体；狭义相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律 量子力学 牛顿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．牛顿力学与相对论、量子理论的联系 (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)当另一个重要常数即“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。 (3)相对论和量子力学并没有否定牛顿力学，牛顿力学是二者在一定条件下的特殊情形。 　下列说法正确的是(　　) A．牛顿运动定律就是牛顿力学 B．牛顿力学的基础是牛顿运动定律 C．牛顿运动定律可以解决自然界中所有的问题 D．牛顿力学可以解决自然界中所有的问题 [解析]　牛顿力学并不等于牛顿运动定律，牛顿运动定律只是牛顿力学的基础；牛顿力学并非万能，也有其适用范围，并不能解决自然界中所有的问题。没有哪个理论可以解决自然界中所有的问题，B项正确。 [答案]　B 2．(多选)以下说法正确的是(　　) A．牛顿力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用 B．牛顿力学理论具有一定的局限性 C．在牛顿力学中，物体的质量不随运动状态改变而改变 D．相对论和量子力学否定了牛顿力学理论 解析　牛顿力学理论具有一定的局限性，它只适用于低速、宏观物体的运动，选项A错误，B正确；在牛顿力学中，物体的质量不随运动状态的改变而改变，即物体的质量和物体运动的速度无关，选项C正确；相对论和量子力学并没有否定过去的科学，而是认为牛顿力学理论是在一定条件下的特殊情形，选项D错误。 答案　BC [对应学生用书P75] 1．下列说法正确的是(　　) A．牛顿力学能够说明微观粒子的规律性 B．牛顿力学适用于宏观物体的低速运动问题，不适用于高速运动的物体 C．相对论与量子力学的出现，说明牛顿力学已失去意义 D．对于宏观物体的高速运动问题，牛顿力学仍适用 解析　牛顿力学适用于宏观、低速物体，新的学说的出现，是一种完善和拓展，牛顿力学并没有失去其存在的意义，B错误。 答案　B 2．(多选)关于牛顿力学、狭义相对论和量子力学，下列说法正确的是(　　) A．狭义相对论和牛顿力学是相互对立的、互不相容的两种理论 B．在物体高速运动时，物体的运动规律遵循狭义相对论，在低速运动时，物体的运动遵循牛顿运动定律 C.牛顿力学适用于宏观物体的运动，量子力学适用于微观粒子的运动 D．不论是宏观物体，还是微观粒子，牛顿力学和量子力学都是适用的 解析　牛顿力学只适用于宏观物体的低速运动，相对论和量子力学并没有全盘否定牛顿力学理论。在弱引力作用下，低速运动的宏观世界中，两种理论是一致的，故B、C正确，A、D错误。 答案　BC 3．一飞船以9×104 m/s的速率相对于地面(假定为惯性系)匀速飞行，飞船上的钟走了10 s的时间，用地面上的钟测量经过了多少时间？ 解析　据公式Δt＝，可求得用地面上的钟测量经过的时间为10.000 000 45 s。 答案　10.000 000 45 s 4．一观察者测得运动着的米尺为0.5 m长，求此米尺以多大的速度移动。 解析　以观察者为一参考系测得的长度为l，米尺为另一参考系，测得米尺的长度为l′，应用公式l＝l′，进行变形可解v。 根据公式l＝l′。可得：v＝ c＝3.0×108 m/s，l′＝1 m，l＝0.5 m 所以v＝0.866c＝2.60×108 m/s。 答案　2.60×108 m/s 学科网（北京）股份有限公司 $