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

该高中物理导学案围绕相对论时空观与牛顿力学的局限性展开，涵盖爱因斯坦假设、时间延缓和长度收缩效应，以及牛顿力学的成就、适用范围与局限性。通过情境思考（如火车闪光问题）和导思（飞机抛球、火车光速手电筒）连接经典力学与相对论，搭建从已知到未知的学习支架。 资料以核心素养为导向，通过典例分析（如梭镖穿管子）和多样化练习题，帮助学生形成时空观物理观念，提升科学推理能力，体现科学态度中人类对自然探索的深入，便于学生自主学习与教师教学评估。

相对论时空观与牛顿力学的局限性 核心素养定位 物理观念 (1)知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动． (2)知道相对论、量子力学有助于人类认识高速、微观领域． (3)知道爱因斯坦的两个假设． (4)知道时间延缓效应和长度收缩效应． 科学思维 (1)了解爱因斯坦的两个假设，知道牛顿力学的局限性． (2)能对时间延缓效应和长度收缩效应问题进行分析． 科学态度与责任 通过课内与课外阅读，知道相对论、量子力学和经典力学的关系，体会人类对自然界的探索是不断深入的． 一、相对论时空观　　　　　　　牛顿运动定律成立的参考系 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________的； (2)真空中的________在不同的惯性参考系中大小都是________的． 2．时间延缓效应 如果相对于地面以v运动的____________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． 　　　　　　　　时间进程跟物体的运动状态有关 3．长度收缩效应 如果与杆相对__________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． 空间距离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________的规律． 2．牛顿力学的局限性 (1)牛顿力学不适用于________运动． (2)物理学研究深入到微观世界，发现了电子、质子、中子等微观粒子，而且发现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________来说明． 　　相对论没有否定经典力学，经典力学是相对论的特殊情况 3．牛顿力学的适用范围 只适用于________运动，不适用于________运动；只适用于________世界，不适用于________世界． 【情境思考】 如图所示，假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶．车厢中央的光源发出一个闪光，照到了车厢的前壁和后壁．请对以下结论作出判断． (1)对车厢内相对车厢静止的观察者看来，闪光同时到达前、后壁．(　　) (2)对车下的观察者看来，闪光先到达后壁，后到达前壁．(　　) (3)以上两人的看法必然有一个是错误的．(　　) 1　 真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，与光源、观察者间的相对运动没有关系． 2　 时间延缓效应的核心是观察某个过程所用时间时，静止在地面上观察所用时间比在高速运动物体上观察所用时间长． 3　长度收缩效应 (1)在垂直于运动方向上不发生长度收缩效应现象． (2)我们平常观察不到这种相对论效应现象，是因为我们生活在比光速低很多的低速世界里，这种现象极不明显．即使运动物体的速度达到v＝30 000 km/s(即0.1c)，长度收缩效应也只不过是.因此，在低速运动中，长度收缩效应可忽略不计． 　两种不同的时空观 (1)经典力学的时空观认为时间就其本质而言，是永远均匀地流失，与任何外界无关．空间就其本质而言是与任何外界事物无关的，它从不运动，并且永远不变，也称为绝对时空观． (2)相对论时空观认为时间和空间是相互联系、相互影响的，并且与物质的存在及运动密切相关． 目标一　相对论时空观 【导思】 仔细观察下列图片，请思考： (1)如图甲，飞机匀速飞行，封闭机舱中的人能用抛球的力学实验判断飞机相对于地面的速度吗？地面参考系和飞机参考系的力学规律相同吗？ (2)如图乙所示，火车以的光速(即v＝0.9c)行驶，一个人相对火车用手电筒向前进方向上照射，在地面上观察，这束光的速度是多少？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 【归纳】 1．惯性系和非惯性系 (1)牛顿运动定律能够成立的参考系为惯性系，相对于这个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系． (2)牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系． 2．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的物体． (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． 3．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】 例 1 如图所示，地面上A、B两处的中点处有一点光源S，甲观察者站在光源旁，乙观察者乘坐速度为v(接近光速)的火箭沿AB方向飞行，两观察者身边各有一个事先在地面校准了的相同的时钟．下列对相关现象的描述中，正确的是(　　) A.甲测得的光速为c，乙测得的光速为c－v B．甲认为飞船中的钟变慢了，乙认为甲身边的钟变快了 C．甲测得的A、B间的距离小于乙测得的A、B间的距离 D．当光源S发生一次闪光后，甲认为A、B两处同时接收到闪光，乙则认为B先接收到闪光 例 2 如图所示，假设一根10 cm长的梭镖以接近光速的速度穿过一根10 cm长的静止管子，它们的长度都是在静止状态下测量的．以下叙述中最好地描述了梭镖穿过管子的情况的是(　　) A．静止的观察者看到梭镖收缩变短，因此在某个位置，管子能完全遮住梭镖 B．静止的观察者看到梭镖变长，因此在某个位置，梭镖从管子的两端伸出来 C．静止的观察者看到两者的收缩量相等，因此在某个位置，管子仍恰好遮住梭镖 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 目标二　牛顿力学的成就与局限性 【导思】 如图所示为位于瑞士和法国边境的长达27 km的大型强子对撞机．这是一种能把质子加速到接近光速的设备． 此时质子的运动规律还能用牛顿力学去研究吗？ 此时质子的运动规律该用什么理论去研究呢？ 【归纳】 1．牛顿力学的局限性及适用范围 (1)牛顿力学适用于低速运动的物体，相对论阐述了物体在以接近光速运动时所遵循的规律． (2)牛顿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．相对论和量子力学没有否定牛顿力学 (1)当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别． (2)当另一个重要常数即普朗克常量可以忽略不计时，量子力学和牛顿力学的结论没有区别． (3)相对论和量子力学并没有否定牛顿力学，牛顿力学是二者在一定条件下的特殊情形． 【典例】 例 3 (多选)关于经典力学、相对论和量子力学，下面说法正确的是(　　) A．相对论和经典力学是相互对立、互不相容的两种理论 B．在物体高速运动时，物体的运动服从相对论理论，在低速运动时，物体的运动服从牛顿运动定律 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.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 例 4 下列物体的运动，不能用经典力学描述的是(　　) A．复兴号列车高速行驶 B．电子以接近光的速度运动 C．神舟十三号飞船在轨道上运行 D．辽宁号航空母舰在大海上航行 1.[2023·黑龙江哈尔滨六校高一下期末]物理学史上许多物理学家的科学研究推动了人类文明的进程．关于相对论时空观与牛顿力学的局限性，下列说法正确的是(　　) A．经典力学能够说明微观粒子的规律性，仍适用于宏观物体的高速运动问题 B．相对论与量子力学的出现否定了经典力学，表示经典力学已失去意义 C．经典力学并不等于牛顿运动定律，牛顿运动定律只是经典力学的基础 D．经典力学在现代广泛应用，它的正确性无可怀疑，仍是普遍适用的 2．(多选)20世纪以来，人们发现了一些新的事实，而牛顿力学却无法解释．牛顿力学只适用于解决物体的低速运动问题，不能用来处理高速运动问题，只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子．这说明(　　) A．随着认识的发展，牛顿力学已成了过时的理论 B．人们对客观事物的具体认识在广度上是有局限性的 C.不同领域的事物各有其本质与规律 D．人们应当不断扩展认识，在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律 3．惯性参考系S中有一边长为l的正方形．从相对S系沿x轴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可能是(　　) 4．如图所示，在高速行进的火车车厢正中的闪光灯发出一次闪光向周围传播，闪光到达车厢后壁时，一只小猫在车厢后端出生，闪光到达车厢前壁时，两只小鸡在车厢前端出生．则(　　) A．在火车上的人看来，小猫先出生 B．在火车上的人看来，小鸡先出生 C．在地面上的人看来，小猫先出生 D．在地面上的人看来，小鸡先出生 5．(多选)如图所示，甲、乙两人分别乘坐速度为0.6c和0.8c(c为真空中的光速)的飞船反向运动．则下列说法正确的是(　　) A．甲、乙两人相对速度为1.4c B．甲观察到乙的身高不变 C．甲观察到乙所乘的飞船变短 D．甲观察到乙所带的钟表显示时间变快 5．相对论时空观与牛顿力学的局限性 导学　掌握必备知识 一、 1．(1)相同　(2)光速　相同 2．惯性参考系　> 3．静止　< 二、 1．牛顿力学 2．(1)高速　(2)牛顿力学 3．低速　高速　宏观　微观 情境思考 答案：(1)√　(2)√　(3)× 共研　突破关键能力 目标一 　提示：(1)假设机舱中的人竖直上抛小球，小球的运动遵从牛顿运动定律，不能从这个实验判断飞机相对于地面的速度．要判断相对速度，可以透过窗户观测云朵等参照物．以飞机为参考系，小球做竖直上抛运动，以地面为参考系，小球做斜上抛运动，水平方向的分速度就是飞机相对地面的速度．但不论在哪个参考系中，小球都在重力的作用下，遵从牛顿第二定律做抛体运动，运动轨迹的描述不同是因为各参考系间有相对速度，但力学规律在两个参考系中是相同的． (2)按照牛顿力学中的速度合成法则，在火车上观察，这束光的速度为c，则其相对地面的速度为v＋c＝1.9c.但迈克耳孙—莫雷实验及其他一些实验都表明：在不同的参考系中，光的速度都是一样的．所以图乙中从地面上观察，这束光的速度仍是c. [例1]　解析：根据爱因斯坦的光速不变原理，可知甲、乙在两种不同的参考系里测出的光速都为c，故A错误；根据时间延缓效应，运动速度越快，钟走得越慢，接近光速时，钟就几乎停止了，甲、乙相对速度为v(接近光速)，故甲认为飞船中的钟变慢了，乙认为甲身边的钟变慢了，故B错误；根据长度收缩效应，可知甲测得的A、B间的距离大于乙测得的A、B间的距离，故C错误；当光源S发生一次闪光后，甲认为A、B两处同时接收到闪光，根据狭义相对论，则乙认为B先接收到闪光，故D正确． 答案：D [例2]　解析：根据狭义相对论的长度收缩效应，梭镖相对于静止的观察者高速运动，那么梭镖收缩变短，而管子相对于静止的观察者是静止的，那么管子长度不变，所以静止的观察者看到梭镖收缩变短，因此在某个位置，管子能完全遮住梭镖，故A正确，B、C错误；如果梭镖和管子都以光速c相向运动，根据相对论的原理可知二者的相对速度是c，故D错误． 答案：A 目标二 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． [例3]　解析：相对论并没有否定经典力学，而是认为经典力学是相对论理论在一定条件下的特殊情况，A错误；经典力学适用于宏观物体的低速运动，对于微观粒子的高速运动问题，经典力学不再适用，但相对论、量子力学适用，故B、C正确，D错误． 答案：BC [例4]　解析：经典力学适用于低速宏观的物体，不适用于微观高速物体，故电子以接近光的速度运动时不能用经典力学描述．列车的行驶、飞船的运行以及航母在大海中行驶都能用经典力学描述，故不能用经典力学描述的只有B.故B符合题意，A、C、D不符合题意． 答案：B 精练　落实学科素养 1．解析：经典力学具有一定的局限性，只能适用于宏观、低速运动的物体，而对于微观、高速运动的物体则不适用，并不具有普遍性，故A、D错误；相对论与量子力学的出现并未否定经典力学，而是补充了经典力学的不足，它们并不能替代经典力学，故B错误；经典力学并不等于牛顿运动定律，牛顿运动定律只是经典力学的基础，故C正确． 答案：C 2．解析：人们对客观世界的认识要受到所处的时代的客观条件和科学水平的制约，所以形成的看法具有一定的局限性．人们只有不断扩展自己的认识，才能掌握更广阔领域内的不同事物的本质与规律．新的科学的诞生并不意味着对原来科学的全盘否定，而是认为过去的科学是新的科学在某些条件下的特殊情形．故A错误，B、C、D正确． 答案：BCD 3．解析：由相对论知识可知，在运动的飞行器上观测到正方形应该在运动方向上的边长变短，而在垂直于运动方向上的边长不变，故选项C正确． 答案：C 4．解析：火车中的人认为，车厢是惯性系，光向前向后传播的速度相等，光源在车厢中央，闪光同时到达前后两壁，则火车上的人看到小猫和小鸡同时出生，A、B错误；地面上的人以地面为惯性系，光向前向后传播的速度相等，向前传播的路程长些，到达前壁的时刻晚些，故在地面上的人看来，小猫先出生，C正确，D错误． 答案：C 5．解析：当物体速度接近光速时，求相对速度不再使用经典力学的合成方法，故A错误；身高是竖直方向，他们的运动方向为水平方向，所以两者看到对方的身高不变，故B正确；根据相对论的长度收缩效应，甲观察到乙所乘的飞船变短，故C正确；根据相对论的时间延缓效应，甲观察到乙所带的钟表显示时间变慢，故D错误． 答案：BC 学科网（北京）股份有限公司 $