7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 学案 -2025-2026学年高一下学期物理人教版必修第二册

第5节 相对论时空观与牛顿力学的局限性 学案

核心素养目标

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。

2.知道爱因斯坦狭义相对论的基本假设，知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。

基础知识：

知识点一　相对论时空观

1．牛顿力学时空观

河水相对岸的速度为v水岸，船相对水的速度为v船水，则船相对岸的速度为v船岸＝v船水＋v水岸。

2．相对论时空观

(1)光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。

(2)时间延缓效应：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，而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，则Δt＝ 。

(3)长度收缩效应：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，则l＝l0_。

知识点二　牛顿力学的成就与局限性

1．牛顿力学的成就：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用更是确立了人们对牛顿力学的尊敬。

2．牛顿力学的局限性：牛顿力学的适用范围是低速(选填“高速”或“低速”)运动的宏观(选填“宏观”或“微观”)物体。

(1)当物体以接近光速运动时，有些规律与牛顿力学的结论不相同。

(2)电子、质子、中子等微观粒子的运动规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明。

3．牛顿力学不会被新的科学成就所否定，当物体的运动速度远小于光速c时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别。

重难点理解：

一、时间与空间的相对性

1．爱因斯坦的两个假设

(1)在不同的参考系中，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．相对论的两个效应

(1)时间延缓效应：运动的时钟会变慢，即Δt＝。

(2)长度收缩效应：运动长度会收缩，即l＝l0 。

典例1：A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，vA＝2vB，在火箭A上的人观察到的结果是(　　)

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

解析：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，且地面上的时钟最慢，因此选项A正确，B、C、D错误。

二　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；爱因斯坦相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律。