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）

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

 

2．牛顿力学与相对论、量子理论的联系