7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性-【重难点手册】2025-2026学年高中物理必修第二册（人教版）

重难点手册高中物理必修第二册RJ 第5节 相对论时空观与牛顿力学的局限性 重点和难点 课标要求 1.感受牛顿力学在高速世界与事实的矛盾，知道牛顿力 学只适用于低速、宏观物体的运动.知道相对论、量子论有助 重点：了解相对论时空观和牛顿力学的 于人类认识高速、微观领域。 成就与局限性。 2.知道爱因斯坦狭义相对论的基本假设，知道长度相对 难点：牛顿力学时空观与相对论时空观 性和时间间隔相对性的表达式 的主要区别 3.了解宇宙起源的大爆炸理论，知道科学真理是相对的， 人类在不懈的探索中必将揭开未知世界更多的谜底， iiiIiiiIIII 必备知识梳理 11101001101101101010001111 知识点1 相对论时空观 1.牛顿力学时空观（绝对时空观）：时间与空间都是独立于物 拓视野) 体及其运动而存在的. 对爱因斯坦假设的 2.狭义相对论的两个基本假设（爱因斯坦提出） 进一步理解 (1)在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，这个 1.第一条假设是对牛顿力 假设通常称为狭义相对性原理， 学相对性原理的推广.不论在哪 (2)真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，这个假 一个惯性系中做实验，都不能确 设叫光速不变原理。◆拓视野 与参考系无关 定该惯性系的绝对运动，绝对运 3.时间延缓效应 动的描述只有相对意义，绝对静 止的参考系是不存在的， 假设两个事件发生在某一运动系统中，△是在地面上的观察 2.第二条假设实际上是对 者测得的时间，△x是在运动系统中的观察者测得的时间，则有△ 实际结果的总结.它表明在任何 △x 显然△t>△x,也就是说，运动系统中的时间进程 惯性系中测得的真空中的光速 1-) 都相等，说明光速与观察者及光 源的运动状态无关 变慢了，此种情况称为时间延缓效应， 3.爱因斯坦理论带来了观 4.长度收缩效应 地面上的人观测的时间延长了 念上的变革， 假设杆沿自身长度方向随某一运动系统一起运动，1是在地 牛顿力学：时间、长度、质 面上的观察者测得的杆的长度，。是在运动系统中的观察者测得 量、作用力的测量均与参考系 的杆的长度，则有1=1-（侣.由于1-(）<1，所以总有 无关 狭义相对论：时间、长度、质 <1。,也就是说，运动系统中的长度变短了，此种情况称为长度收 量的测量具有相对性，与参考系 缩效应 物体长瘦不变，但不同参考系中的测量长度不同 有关 5.相对论时空观：空间距离和时间进程都跟物体的运动状态 有关 108 第七章万有引力与宇宙航行通 知识点(2牛顿力学的成就与局限性 1.牛顿力学的成就◆敲黑板。 敲黑板⊙ 牛顿力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律的建立与应 通常所见的物体的运动皆 用更是确定了牛顿力学的科学地位.在宏观物体做低速运动的广 为低速运动，如汽车、导弹、人造 卫星及宇宙飞船的运动等，有些 阔领域，牛顿力学与实际相符合，显示了牛顿运动定律的正确性和 微观粒子在一定条件下的速度 牛顿力学的魅力. 可以与光速相接近，这样的速度 2.牛顿力学的局限性 称为高速。 经典力学的绝对时空观，割裂了时间、空间、物质及其运动之间 经典力学 的联系，不能解释高速运动领域的许多客观现象 的局限性经典力学的运动观，从自然观角度来说，给出的是一幅机械运动 的图景，不能解释微观世界丰富多彩的现象 相对论和量子力学的出现，使人们认识到经典力学的适用范围： 经典力学 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.牛顿力学与相对论、量子力学的比较◆拓视野。 拓视野⊙ 牛顿力学 相对论、量子力学 牛顿力学时空观 与狭义相对论时空观 物理学形成的初期阶段，受历 形成于物理学充分发展的现代， 牛顿力学时空观 狭义相对论时空观 形成时期 史发展限制，理论较肤浅、 理论较科学 片面 相对的☐光速绝对的（不变） 绝对的□同时口 相对的 低速运动、宏观世界、弱引力 适用范围 适用范围更广 作用 与运动无 时间 与运动有关， 与 关，绝对的 空间 相对的 速度对质 物体的质量不随其速度的变 物体的质量随其速度的增大而 与运动无 随速度的增 质量P 量的影响 化而变化 变大 关，不变的 大而增大 物体及其运动与时间、空间互 速度的 不相干，关系式V船岸=V船水十 速度与位移、时间的测量有关， 合成 v水岸成立 V船岸=V船水十Y水岸不成立 牛顿的万有引力定律认为物 爱因斯坦引力理论认为物体间 引力规律 体间的引力符合“平方反比” 的引力不完全符合“平方反比” 规律 规律 以下两种情况，相对论或量子力学与牛顿力学的结论没有区别： 联系 ①物体的速度远小于光速c(3×108m/s)时； ②普朗克常量(6.63×10-4J·s)可以忽略不计时 109 重难点手册高中物理必修第二册RJ 关键能力提升 题型（①对时间延缓效应的理解 述中最好地描述了梭镖穿过管子情况的是 例①半人马星座α星是距离太阳系最近 的恒星，它距离地球4.3×1016m.设有一宇宙 》 飞船自地球出发往返于地球和半人马星座α A.静止的观察者看到梭镖收缩变短，因此 星之间.若宇宙飞船的速度为0.999c,按地球 在某个位置，管子能完全遮住梭镖 上的时钟计算，飞船往返一次需多长时间？如 B.静止的观察者看到梭镖变长，因此在某 以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为 个位置，梭镖从管子的两端伸出来 多长？ C.静止的观察者看到两者的收缩量相等， 解析以地球上的时钟计算， 因此在某个位置，管子仍恰好遮住梭镖 △M=5=2X4.3X1016 ”0.999X3X108s≈2.87X10°s≈9年. 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 若以飞船上的时钟计算（原时）， △t 解标“尺缩”效应公式1=4-( 中的l 因为△t= 和。是具有相对性的，到底是管子收缩变短还是梭镖 收缩变短，要看观察者所处的参考系.根据狭义相对 所以得△t=△t1 =2.87×108× 论的尺缩效应，如果梭镖相对于观察者运动，那么梭 √/1-0.9992s≈1.28×107s≈0.4年. 镖收缩变短，而管子长度不变，因此在某个位置，管子 变式①地面上A、B两个事件同时发生， 能完全遮住梭镖，故A正确，B、C错误；由光速不变原 对于坐在高速运动的火箭中沿两个事件发生 理可知，物体的速度不会超过光速，故D错误， 答案A 地点连线飞行的人来说（如图所示），哪个事件 先发生( 变式2如图所示，惯性系S中有一边长 为1的正方形，从相对S系沿x方向以接近光 B 速匀速飞行的飞行器上观察到该正方形的图 A.A事件先发生 像是(). B.B事件先发生 C.两个事件同时发生 D.可能是A事件先发生，也可能是B事 件先发生 题型②对长度收缩效应的理解 例2如图所示，假设一根10cm长的梭 镖以接近光速穿过一根10cm长静止的管子， 它们的长度都是在静止状态下测量的.以下叙 110