第7章 5 相对论时空观与牛顿力学的局限性（教用Word）-【金榜题名】2025-2026学年高一物理必修第二册同步学案（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，系统梳理从牛顿绝对时空观到爱因斯坦相对论时空观的发展脉络，涵盖时间延缓效应、长度收缩效应及牛顿力学在低速宏观领域的成就与高速微观领域的局限性。 资料通过判断正误、情境问题（如飞船时钟、π介子寿命计算）等设计，培养学生科学思维中的科学推理与模型建构能力，同时通过相对论与经典力学的关系渗透科学态度与责任。课中辅助教师突破抽象概念教学难点，课后助力学生通过习题与总结查漏补缺，深化理解。

5　相对论时空观与牛顿力学的局限性 1．了解相对论时空观，知道时间延缓效应和长度收缩效应。 2．认识牛顿力学的成就，适用范围及局限性。 3．了解科学理论的相对性，体会科学理论是不断发展和完善的。　　 一、相对论时空观 (1)绝对时空观：时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的，也叫牛顿力学时空观。 (2)爱因斯坦的假设： 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：Δt＝。 (4)长度收缩效应：l＝l0_。 (5)相对论时空观：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。 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，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动，从投出篮球到发射导弹、人造地球卫星、宇宙飞船……所有这些都服从牛顿力学的规律。 (2)牛顿力学的局限性：牛顿力学对于高速运动的物体和电子、质子、中子等微观粒子是不适用的。 (3)量子力学的建立能够很好地描述微观粒子运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用。 (4)相对论与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。 1．判断下列说法的正误。 (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。(　　) (4)高速运动的飞船中的宇航员发现地面的时钟变慢了。(　　) (5)牛顿运动定律适用于低速、宏观的研究领域。(　　) (6)相对论与量子力学的出现否定了经典力学。(　　) 【答案】　(1)√　(2)×　(3)×　(4)√　(5)√　(6)× 2．以约8 km/s的速度运行的飞船上，一只完好的手表走过1 h，地面上的时钟显示的时间________(填“大于”“等于”或“小于”)1 h。 【答案】　大于 一、相对论时空观 　地球绕太阳公转的速度是3×104 m/s，设在美国伊利诺斯州费米实验室的圆形粒子加速器可以把电子加速到0.999 999 999 987倍光速的速度，请思考： (1)地球的公转速度在狭义相对论中属于低速还是高速？被加速器加速后的电子的速度属于低速还是高速？ 【答案】　地球公转速度属于低速，被加速器加速后的电子的速度属于高速。 (2)在地面上校准的两只钟，一只留在地面上，一只随宇宙飞船遨游太空，隔一段时间飞船返回地面时，两只钟显示的时间相同吗？有什么差别？ 【答案】　不相同，随飞船旅行的时钟变慢(显示的时间少)。 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皆为低速运动物体。 (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。 对于低速运动问题，一般用经典力学规律来处理。对于高速运动问题，经典力学已不再适用，需要用相对论知识来处理。 2．相对论的两个效应 (1)时间延缓效应：运动时钟会变慢，即Δt＝。 (2)长度收缩效应：运动长度会收缩，即l＝l0 。 3．对于低速运动的物体，相对论效应可以忽略不计，一般用经典力学规律来处理；对于高速运动问题，经典力学不再适用，需要用相对论知识来处理。 　π＋介子是一种不稳定粒子，平均寿命是2.6×10－8 s(在自己的参考系中测得)。 (1)如果此粒子相对于实验室以0.8c的速度运动，那么在实验室坐标系中测量的π＋介子寿命多长？ (2)π＋介子在衰变前运动了多长距离？ 【解析】　(1)π＋介子在实验室中观察的寿命为Δt＝＝ s≈4.3×10－8 s。 (2)该粒子在衰变前运动的距离为：x＝vΔt＝0.8×3×108×4.3×10－8 m＝10.32 m。 【答案】　(1)4.3×10－8 s　(2)10.32 m 　(多选)一列车的长度与桥梁长度相同。列车以接近光速通过桥梁，地面的观察者和列车内的观察者看到车头刚通过这座桥时，则(　　) A．地面的观察者看到车尾已上桥 B．地面的观察者看到车尾未上桥 C．列车内的观察者看到车尾已上桥 D．列车内的观察者看到车尾未上桥 【解析】　根据相对论，地面上的观察者看到的高速运动的火车比静止时更短，也就是比静止的桥短，所以地面观察者看到车头刚通过这座桥时，车尾已上桥，A正确，B错误；列车内观察者看火车是静止的，火车长度不变，桥高速运动，桥变短了，所以列车内观察者看到车头刚通过这座桥时，车尾在桥外(未上桥)，C错误，D正确。 【答案】　AD 总结提升 物体静止长度l0和运动长度l之间的关系为l＝l0 相对于地面以速度v运动的物体，从地面上看： (1)沿着运动方向上的长度变短了，速度越大，变短得越多。 (2)在垂直于运动方向不发生长度收缩效应现象。 二、牛顿力学的成就与局限性 1．经典力学的成就 (1)经典力学体系是时代的产物，是现代机械、土木建筑、交通运输以至航空航天技术的理论基础。 (2)经典力学的思想方法对艺术、政治、哲学等社会科学领域也有巨大影响。 2．经典力学的局限性及适用范围 (1)经典力学适用于低速运动的物体，相对论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。 3．相对论和量子力学没有否定经典力学 (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。 　关于经典力学，下列说法中正确的是(　　) A．相对论与量子力学否定了经典力学理论 B．经典力学可以解决自然界中所有的问题 C．经典力学适用于微观领域质子、电子的运动 D．经典力学适用于发射的导弹、人造卫星、宇宙飞船的运动 【解析】　相对论与量子力学并没有否定经典力学，而是在其基础上发展起来的，有各自成立范围，A错误；经典力学只能解决宏观低速物体的问题，对于微观或高速的物体不再适用，B、C错误；经典力学适用于宏观低速物体，适用于发射的导弹、人造卫星、宇宙飞船的运动，D正确。 【答案】　D 　研究下列物体的运动，不适合使用经典力学描述的是(　　) A．行驶的自行车 B．接近光速运动的粒子 C．投出的篮球 D．飞驰的汽车 【解析】　行驶的自行车、投出的篮球以及飞驰的汽车都属于宏观低速运动的物体，经典力学能适用。接近光速运动的粒子，属于微观高速运动的物体，经典力学就不再适用，故选B。 【答案】　B 1．(长度收缩效应)如图所示，假设一根10 m长的梭镖以光速穿过一根10 m长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的。以下叙述中最好的描述了梭镖穿过管子的情况的是(　　) A．梭镖收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它 B．管子收缩变短，因此在某些位置上，梭镖从管子的两端伸出来 C．两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管子恰好遮住梭镖 D．所有这些都与观察者的运动情况有关 【解析】　如果你是在相对于管子静止的参考系中观察运动着的梭镖，那么梭镖看起来就比管子短，在某些位置梭镖会完全在管子内部。然而当你和梭镖一起运动时，你看到的管子就缩短了，所以在某些位置，你可以看到梭镖两端都伸出管子。 【答案】　D 2．(时间延缓效应)(多选)接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相同的铯原子钟，飞船和地球上的人观测这两只钟的快慢，下列说法正确的有(　　) A．飞船上的人观测到飞船上的钟较快 B．飞船上的人观测到飞船上的钟较慢 C．地球上的人观测到地球上的钟较快 D．地球上的人观测到地球上的钟较慢 【解析】　飞船上的人观察钟表时，是以飞船为参考系，看到地球上的钟表在高速运动，观察到地球上的钟慢，即飞船上的钟快，选项A正确，B错误；同理地球上的人是以地球为参考系，观察结果是地球上的钟快，即飞船上的钟慢，选项C正确，D错误。 【答案】　AC 3．(经典力学的成就与局限性)(多选)下列说法中正确的是(　　) A．经典力学是以牛顿的三大定律为基础的 B．经典力学在任何情况下都适用 C．当物体的速度接近光速时，经典力学就不适用了 D．相对论和量子力学的出现，使经典力学失去了意义 【解析】　牛顿运动定律是经典力学的基础，A正确；经典力学只适用于低速、宏观、弱引力场的范围，B错误，C正确；相对论和量子力学的出现，并没有否定经典力学，只是说经典力学有一定的适用范围，D错误。 【答案】　AC 4．(经典力学的适用范围)关于经典力学和量子力学，下列说法正确的是(　　) A．不论是对宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的 B．量子力学适用于宏观物体的运动，经典力学适用于微观粒子的运动 C．经典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．上述说法均错误 【解析】　经典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，C正确。 【答案】　C 学科网（北京）股份有限公司 $