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。 ②经典力学适用于宏观世界；量子力学能够很好描述微观粒子的运动规律。 (2)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。 典例2：(多选)以下说法正确的是(　　) A．经典力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用 B．经典力学理论具有一定的局限性 C．在经典力学中，物体的质量不随运动状态的改变而改变 D．相对论和量子力学否定了经典力学理论 解析：BC　经典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；在经典力学中，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，而是认为经典力学理论是在一定条件下的特殊情形，选项D错误。 当堂达标： 1．对于经典力学理论，下列说法正确的是(　　) A．由于相对论、量子理论的提出，经典力学已经过时了 B．经典力学在今天广泛应用，它的正确性无可怀疑，仍是普遍适用的 C．经典力学在历史上起了巨大的作用，随着物理学的发展而逐渐过时，成为一种古老的理论 D．经典力学在宏观低速运动中，引力不太大时适用 2．(多选)关于牛顿力学的伟大成就，下列论述正确的是(　　) A．牛顿力学第一次实现了对自然界认识的理论大综合 B．牛顿力学第一次预言了宇宙中黑洞的存在 C．牛顿力学第一次向人们展示了时间的相对性 D．人们借助于牛顿力学中的研究方法，建立了完整的经典物理学体系 3．(多选)在地面附近有一高速飞过的火箭，关于地面上的人和火箭中的人观察到的现象正确的是(　　) A．地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变快了 B．地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变慢了 C．火箭上的人观察到火箭的长度和时间进程均无变化 D．火箭上的人看地面上的物体长度变短，时间进程变慢了 4.星际航行是行星际航行和恒星际航行的统称，行星际航行是指太阳系内的航行，恒星际航行是指太阳系外的恒星际空间的飞行。不载人行星际航行已经实现，而恒星际航行尚处于探索阶段。 探究：半人马星座α星是离太阳系最近的恒星，它距地球为4.3×1016 m，设有一宇宙飞船自地球往返于半人马星座α星之间，若宇宙飞船的速度为0.999c，按地球上的时钟计算，飞船往返一次需多长时间？如以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为多长？ 参考答案： 1.解析：D　经典力学和其他任何理论一样，有其自身的局限性和适用范围，对于低速宏观物体的运动，经典力学仍然适用，并仍将在它适用范围内大放异彩，所以D正确。 2.解析：AD　牛顿力学把天上物体和地面上物体的运动统一了起来，第一次实现了人类对自然界认识的理论大综合。黑洞是爱因斯坦的相对论中预言的一种特殊天体，时间的相对性是爱因斯坦根据相对论提出的。在研究方法上，人们把牛顿力学中行之有效的实验与数学相结合的方法推广到物理学的各个分支上，相继建立了热学、声学、光学、电磁学等，形成了完整的经典物理学体系。综上所述，应选A、D。 3.解析：BCD　由l＝l0和Δt＝，可知l＜l0，Δt＞Δτ。一个相对地面做高速运动的惯性系中发生的物理过程，在地面上的人看来，火箭的长度变短了，它所经历的时间比在这个惯性系中直接观察到的时间变长了，惯性系速度越大，观察到的火箭的长度越短，所经历的过程时间越长。火箭上的人观察到火箭的长度和时间进程均无变化。同样，火箭上的人看地面上的物体长度也是变短，时间进程变慢了。选项A错误，B、C、D正确。 4.解析：以地球上的时钟计算， Δt＝＝ s≈2.87×108 s≈9年。 若以飞船上的时钟计算，设时间为Δt′， 由时间延缓效应有Δt＝， 解得Δt′＝Δt ＝2.87×108× s≈1.28×107 s≈0.4年。 答案：9年　0.4年 学科网（北京）股份有限公司 $