第七章 第五节 相对论时空观与牛顿力学的局限性-【创新教程】2025-2026学年高中物理必修第二册五维课堂教师用书word（人教版）

本讲义聚焦“相对论时空观与牛顿力学的局限性”核心知识点，系统梳理爱因斯坦假设、时间延缓与长度收缩效应等相对论时空观内容，衔接牛顿力学的适用范围及与相对论、量子力学的关系，搭建从经典到现代物理的认知支架。 资料以学科素养为导向，通过知识梳理表格、探究导入、典例赏析及分层练习题设计，培养科学思维（科学推理、模型建构）与科学态度（科学本质认知）。例如结合“火箭观测铁路长度”典例分析相对论效应，课中辅助教师引导探究，课后助力学生巩固知识、查漏补缺。

第五节　相对论时空观与牛顿力学的局限性 学 科 素 养 物理 观念 1.认识经典力学的局限性和适用范围． 2．初步了解微观和高速世界中的奇妙现象． 3．了解相对论时空观、量子力学和经典力学的关系． 科学态度与 责任感 1.了解经典力学在科学研究和生产技术中的广泛应用． 2．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. [知识梳理] 一、相对论时空观 1．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． 2．时间和空间的相对性 (1)时间延缓效应 如果相对于地面以速度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1－2<1，所以总有Δt　>　Δτ，此种情况称为时间延缓效应． (2)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1－2<1，所以总有l　<　l0，此种情况称为长度收缩效应． 3．相对论时空观 Δt＝和l＝l0表明运动物体的长度(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．它所反映的时空观称作相对论时空观． 二、牛顿力学的成就与局限 1．牛顿力学的局限性 电子、质子、中子等微观粒子，它们不仅具有粒子性，同时还具有　波动性　，它们的运动规律在很多情况下不能用牛顿力学来证明． 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．相对论物理学与经典物理学的联系 当物体的运动速度远小于光速c时(c＝3×108 m/s)，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别；当另一个重要常数即普朗克常量h可以忽略不计时(h＝6.63×10－34 J·s)，量子力学和牛顿力学的结论没有区别．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． [基础自测] 1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)在经典力学中，位移的测量与参考系的运动情况无关．( √ ) (2)在相对论力学中，运动的时钟和静止的时钟快慢相同．( × ) (3)洲际导弹的速度有时可达到6 000 m/s，这一速度属于相对论中的高速．( × ) (4)经典力学一般不适用于微观粒子．( √ ) (5)对于宏观物体的低速运动问题，相对论、量子力学与经典力学是一致的． ( √ ) 2．下列物体的运动不能用经典力学描述的是(　　) A．飞机的飞行　　　　 B．人造卫星的运行 C．小汽车的行驶 D．光子的运动 解析：D　[经典力学适用于低速宏观的物体，A、B、C不符合题意，选项D符合题意．] 3．关于经典力学的局限性，下列说法正确的是(　　) A．火车提速后，有关速度问题不能用经典力学来处理 B．由于经典力学有局限性，所以一般力学问题都用相对论力学来解决 C．经典力学适用于宏观低速运动的物体 D．经典力学只适用于像地球和太阳那样大的宏观物体 解析：C　[经典力学有局限性，经典力学适用于宏观低速运动的物体，但对于一般力学问题仍能用经典力学来解决，所以即使在火车提速后，有关速度问题仍能用经典力学来处理，故A、B错误，C正确；经典力学不仅适用于像地球和太阳那样大的宏观物体，也适用一般尺寸的宏观物体，故D错误．故选C.] 时间与空间的相对性 ◆[探究导入] 爱因斯坦假设中的主要效应 (1)长度收缩效应：运动长度l会收缩，即l＝l0. (2)时间延缓效应：运动时钟会变慢，即Δt＝. ◆[典例赏析] [例1]　地面上长100 km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30 km/s的速度掠过，则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少？如果火箭的速度达到0.6 c，则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少？ [解析]　当火箭速度较低时，长度基本不变，还是100 km. 当火箭的速度达到0.6 c时，由相对论长度公式 l＝l0 代入相应的数据解得l＝100× km＝80 km. [答案]　100 km　80 km 由公式l＝l0知，相对于地面以速度v运动的物体，从地面上看，沿着运动方向上的长度变短了，速度越大，变短得越多，两种情况： (1)在垂直于运动方向不发生长度收缩效应现象． (2)我们平常观察不到这种长度收缩效应，是因为我们生活在比光速低得多的低速世界里，长度收缩效应极不明显，即使运动物体的速度达到v＝30 000 km/s(即0.1 c)，长度收缩效应也只不过是5%，因此，在低速运动中，v≪c，l≈l0，长度收缩效应可忽略不计． ◆[针对训练] 1．A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，vA＞vB，在火箭A上的人观察到的结果正确的是(　　) 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vA＞vB，故地面上的时钟最慢，因此A正确，B、C、D错误．] 2．某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行，如果地球指挥中心希望把这路程缩短为3光年，则他所乘飞船相对地球的速度为(　　) A．0.5c B.0.6c C．0.8c D．0.9c 解析：C　[由l＝l0，＝，解得v＝c，故C正确．] 牛顿力学的局限性 ◆[探究导入] 粒子对撞机可以把质子加速到接近于光速，如图所示．经典力学是否适用于质子的运动规律？如何研究质子的运动规律？ 提示：不适用．经典力学只适用于宏观低速运动，描述微观高速粒子的运动要用到量子力学． ◆[探究归纳] 　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；相对论是爱因斯坦假设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． (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． ◆[典例赏析] [例2]　关于经典力学、爱因斯坦假设和量子力学，下列说法中正确的是(　　) A．爱因斯坦假设和经典力学是相互对立、互不相容的两种理论 B．经典力学包含于相对论之中，经典力学是相对论的特例 C．经典力学只适用于宏观物体的运动，量子力学只适用于微观粒子的运动 D．不论是宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的 解析：B　[相对论没有否定经典力学，经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形，选项A错误，B正确．经典力学适用于宏观、低速、弱引力的领域，选项C、D错误．] ◆[针对训练] 3．以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围是(　　) A．低速、宏观的运动问题 B．高速、微观的运动问题 C．低速、微观的运动问题 D．高速、宏观的运动问题 [答案]　A 4．关于经典时空观和相对论时空观，下列说法错误的是(　　) A．经典时空观认为时间和空间是独立于物体及其运动而存在的 B．相对论时空观认为时间和空间与物体及其运动有关系 C．经典力学只适用于宏观、低速运动问题，不适用于微观、高速运动问题 D．当物体的运动速度远小于光速时，相对论和经典力学的结论仍有很大的区别 解析：D　[经典时空观认为时间和空间是独立于物体及其运动而存在的，而相对论时空观认为时间和空间与物体及其运动有关系，A、B正确．经典力学只适用于宏观、低速运动问题，不适用于微观、高速运动问题，C正确．当物体的运动速度远小于光速时，相对论和经典力学的结论没有区别，D错误．] 课堂小结 知识脉络 1.相对论时空观的两个主要效应：①长度收缩效应l＝l0；②时间延缓效应Δt＝. 2．经典力学能精确地描述宏观物体的运动规律；量子力学能正确描述微观粒子的运动规律． 3．量子力学和相对论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．如图所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为(　　) A．0.4c　　　　　　　 B．0.5c C．0.9c D．1.0c 解析：D　[根据光速不变原理，在一切惯性参考系中测量到真空中的光速c都一样，而壮壮所处参考系即为惯性参考系，因此壮壮观察到的光速为1.0c，选项D正确．] 2．(多选)牛顿的经典力学能很好地解释下列哪些现象(　　) A．高速公路上行驶的汽车 B．空气中下落的雨滴 C．原子核外电子绕核的转动 D．空气中漂浮的肥皂泡 解析：ABD　[经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界．高速公路上行驶的汽车、空气中下落的雨滴、空气中漂浮的肥皂泡都属于宏观、低速范畴，经典力学适用；原子核外电子绕核的转动属于微观现象，经典力学不适用．] 3．惯性系S中有一边长为l的正方形，从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图像是(　　) 解析：C　[根据相对论的尺缩效应，可知沿速度方向(即x方向)的长度变短了，而垂直于速度方向(即y方向)的长度不变，故C正确．] 4．A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上，B、C分别放在两个火箭上，以速度vB和vC朝同一方向飞行．问若vB<vC，地面上的观察者认为哪个时钟走得最慢？哪个走得最快？ 解析：地面上的观察者认为C钟走得最慢，因为它相对于观察者的速度最大．根据公式Δt＝可知，相对于观察者的速度v越大，其上的时间进程越慢．A钟v＝0，它记录的两事件的时间间隔最大，即A钟走得最快． 答案：地面上的观察者认为C钟走得最慢，A钟走得最快． [合格考练] 1．下列说法中正确的是(　　) A．经典力学适用于任何情况下的任何物体 B．狭义相对论否定了经典力学 C．量子力学能够描述微观粒子运动的规律性 D．万有引力定律也适用于强相互作用力 解析：C　[经典力学只适用于宏观、低速、弱引力的情况，A错误．狭义相对论没有否定经典力学，在宏观低速情况下，相对论的结论与经典力学没有区别，B错误．量子力学正确地描述了微观粒子运动的规律，C正确．万有引力定律只适用于弱相互作用力，而对于强相互作用力是不适用．的，D错误．故选C.] 2．一艘太空飞船静止时的长度为30 m，它以0.6c(c为光速)的速度沿长度方向飞行越过地球，下列说法正确的是(　　) A．飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30 m B．地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 m C．飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于c D．地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c 解析：B　[飞船上的观测者测得飞船的长度不变，仍为30 m，由l＝l0<l0可知，地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 m，A错，B对；由光速不变原理可知C、D错误．] 3．下列说法正确的是(　　) A．洲际导弹的速度有时可达到6 000 m/s，这一速度属于相对论中的高速 B．经典力学不适用于高速运动的物体，但适用于微观世界 C．对于宏观物体的低速运动问题，相对论、量子力学与经典力学是一致的 D．质量是物体的固有属性，任何时候都不会变 答案：C 4．(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．] 5．对于时空观的认识，下列说法正确的是(　　) A．相对论给出了物体在低速运动时所遵循的规律 B．相对论具有普遍性，经典物理学为它在低速运动时的特例 C．相对论的出现使经典物理学在自己的适用范围内不再继续发挥作用 D．经典物理学建立在实验的基础上，它的结论又受到无数次实验的检验，因此在任何情况下都适用 解析：B　[相对论给出了物体在高速运动时所遵循的规律，经典物理学为它在低速运动时的特例，在自己的适用范围内还将继续发挥作用．经典物理学有简捷的优势．因此A、C、D错误，B正确．] 6．(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中正确的是(　　) 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 解析：BCD　[因为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B、C、D正确．] [等级考练] 7．(多选)经典力学规律适用于下列运动的是(　　) A．子弹的飞行 B．飞船绕地球的运行 C．列车的运行 D．粒子接近光速的运动 解析：ABC　[经典力学的适用范围是宏观、低速情形，子弹的飞行、飞船绕地球的运行、列车的运动，经典力学能适用，故A、B、C正确；对于微观、高速的情形经典力学不适用，故D错误．] 8．关于经典力学，下列说法正确的是(　　) A．仅适用于微观粒子的运动 B．适用于宏观物体的低速运动 C．经典力学中，物体的质量与其运动速度有关 D．经典力学中，物体的长度与其运动速度有关 解析：B　[经典力学适用条件为宏观、低速，对微观、高速运动不再适用，故A错误，B正确．在相对论力学中，物体的质量、长度与其运动速度有关，经典力学中，物体的质量、长度与其运动速度无关，故C、D错误．故选B.] 9．如图所示，两艘飞船A、B沿同一直线同向飞行，相对地面的速度均为v(v接近光速c)．地面上的人测得它们相距为L，则飞船A上的人测得两飞船间的距离　________　(选填“大于”“等于”或“小于”)L.当B向A发出一光信号，飞船A上的人测得该信号的速度为　________　. 解析：狭义相对论的两个基本原理之一就是光速不变原理，因此飞船A上的人测得信号的速度仍等于c(或光速)，以地面为参考系，在运动方向有尺缩效应现象，而B相对A是静止的，没有尺缩效应现象，则飞船A上的人测得两飞船距离应大于L. 答案：大于　c(或光速) 学科网（北京）股份有限公司 $