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

本高中物理讲义聚焦相对论时空观、牛顿力学局限性及宇宙起源与恒星演化核心知识点，从狭义相对论基本假设、时空效应到牛顿力学适用范围，再到宇宙大爆炸与恒星演化阶段，构建从经典到现代物理的递进式知识支架。 该资料通过典例与变式题强化科学推理，对比经典与相对论时空观培养科学思维，结合宇宙演化内容渗透科学态度。课中辅助教师系统授课，课后随堂检测助力学生巩固知识、查漏补缺，提升学习效果。

7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性（知识解读）（解析版） •知识点1 相对论时空观 •知识点2 牛顿力学的局限性 •知识点3 宇宙起源与恒星的演化 •作业 随堂检测 知识点1 相对论时空观 1、狭义相对论的两个基本假设 （1）狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。 （2）光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。  2、“同时”的相对性：同时是相对的，与参考系的运动有关。 3、钟慢效应（时间间隔的相对性）： （1）一般来说，在一个相对我们做高速运动的惯性系中发生的物理过程，在我们看来，他所经历的时间比在这个惯性系中直接观察到的时间长。惯性系的速度越大，我们观察到的过程所经历的时间也就越长。对于化学反应、生命过程等，这一结论也是正确的。这就是时间延缓效应，又叫做钟慢效应。 （2）钟慢效应的计算公式（时间间隔的相对性）：。 4、尺缩效应（长度的相对性） （1）尺缩效应产生原因：尺缩效应，又称长度收缩效应，是相对论性效应之一。它产生的原因是由于同时性的相对性。在狭义相对论中，两个事件从一个参考系来看是同时的，但从另一个相对运动的参考系来看则不再是同时的。这种对牛顿绝对时空观的破坏导致了尺缩效应的出现。具体来说，当测量一根沿其方向作匀速直线运动的杆子的长度时，必须同时记下它两端的空间位置，而这两个空间位置之间的距离就定义为运动杆子的长度。狭义相对论预言，沿杆子方向运动的杆子的长度会比它静止时的长度短。 （2）尺缩效应实验验证方法：虽然直接验证尺缩效应的实验在宏观尺度上难以实现，但可以通过一些间接的实验来支持这一理论。例如，Rossi and Hall（1941）进行的μ子实验，他们比较了位于山顶和位于海平面的由宇宙射线制造出的μ子数量。尽管μ子从山顶到地面所需的时间已经是几个半衰期，但在海面的μ子数量却只是少了一点。这是由于μ子相对于测试者以高速运动，导致了可观的时间膨胀效应（与尺缩效应相关的一种现象），从而间接支持了尺缩效应的存在。 （3）尺缩效应的应用实例：尺缩效应作为相对论的一个重要效应，其理论意义远大于实际应用。然而，它对于理解高速运动物体的物理行为以及时空的相对性具有重要意义。在理论物理、天体物理以及粒子物理等领域，尺缩效应都是不可或缺的概念。例如，在粒子加速器中，当粒子接近光速运动时，其长度的收缩效应需要考虑在内，以确保实验结果的准确性。 （4）尺缩效应的计算公式（长度的相对性）：。 5、相对论速度的变换公式 以高速火车为例，设车对地面的速度为v，车上的人以速度u'沿着火车前进的方向相对火车运动，那么他相对地面的速度u为如果车上人的运动方向与火车的运动方向相反，则u'取负值。当这两个速度的方向垂直或成其他角度时，情况比较复杂，上式不适用，我们不讨论这种情况。 按照经典的时空观，u=u'+v。而从上式来看，实际上人对地面的速度u比u'与v之和要小，不过只有在u'和u的大小可以与c相比时才会观察到这个差别。 6、相对论质量 按照牛顿力学，物体的质量是不变的，因此一定的力作用在物体上，产生的加速度也是一定的，这样，经过足够长的时间以后物体就会达到任意的速度。 但是相对论的速度叠加公式表明，物体的运动速度不能无限增加，这个矛盾启发我们思考：物体的质量是否随物体速度的增加而增大？ 严格的论证证实了这一点，实际上，物体以速度v运动时的质量m与静止时的质量m0之间有如下关系： 。 由于物体的速度c不可能达到光速，所以总有v＜c，1-＜1；所以物体运动时的质量m总是大于静止时的质量m0。这个方程叫做质增方程。 7、广义相对相对性原理和等效原理 （1）广义相对性原理：在任何参考系中物理规律都是相同的。 （2）等效原理：一个均匀引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。 【典例1】下列说法正确的是（　　） A．在运行的列车上的手表走过，地面上“实际”时间小于 B．牛顿力学不仅适用于宏观物体的低速运动，也适用于微观粒子的高速运动 C．由于相对论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值 D．在不同的惯性参考系中，测得真空中的光速大小依然相同 【答案】D 【详解】A．根据狭义相对论的时间延缓效应，地面观测者测得的时间为 ，其中 当时， 地面时间应为，大于列车上的，故A错误； B．牛顿力学适用于宏观物体的低速运动，但微观粒子（如电子）的高速运动需用量子力学和相对论描述，故B错误； C．相对论修正了牛顿力学在高速、强引力场下的局限性，但牛顿力学在宏观低速领域仍广泛应用（如工程、日常生活），故C错误； D．狭义相对论的光速不变原理指出，所有惯性参考系中真空光速均为，故D正确。 故选D。 【变式1-1】根据狭义相对论，相对观测者以接近光速运动的物体（　　） A．沿运动方向的长度变短 B．沿运动方向的长度变长 C．垂直于运动方向的高度变小 D．垂直于运动方向的高度变大 【答案】A 【详解】根据狭义相对论的长度收缩效应，物体在相对于观测者的运动方向上会发生长度收缩，而垂直于运动方向的长度保持不变。公式为，其中为静止时的长度，为运动方向上的测量长度。 故选A。 【变式1-2】（多选）下列说法正确的是（　　） A．由时间延缓效应可知，固有时间最短 B．由长度收缩效应可知，静止长度最长 C．由质速关系可知，静止质量最大 D．加速场和引力场是等效的 【答案】ABD 【详解】A．由狭义相对论的时间延缓效应可知固有时间最短，选项A正确； B．由长度收缩效应可知静止长度最长，选项B正确； C．由质速关系可知静止质量最小，选项C错误； D．由广义相对论可知，加速场和引力场是等效的，选项D正确。 故选ABD。 【变式1-3】（多选）A、B两架飞机沿地面上一足球场的长轴方向在其上空高速飞过，且，对于在飞机上的人观察的结果，下列说法正确的是（　　） A．A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的大 B．A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的小 C．两飞机上的人观察到足球场的长度相同 D．两飞机上的人观察到足球场的宽度相同 【答案】BD 【详解】ABC．由 （其中是足球场长轴的长度），可以看出，速度越大，长度越短，故B正确，AC错误； D．足球场的短轴与飞机速度方向垂直，所以两飞机上的人观察到足球场的宽度相同，故D正确。 故选BD。 知识点2 牛顿力学的局限性 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……所有这些都服从牛顿力学的规律。 2、牛顿力学的局限性：牛顿力学对于高速运动的物体和电子、质子、中子等微观粒子是不适用的。 （1）量子力学的建立能够很好地描述宏观低速运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用。 （2）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。 3、经典力学与相对论、量子力学的比较 项目 经典力学 相对论、量子力学 形成时期 物理学形成的初期阶段，受历史发展限制，理论较肤浅、片面 形成于物理学充分发展的现代，理论较完善、科学 适用范围 低速运动、宏观世界 任何情况都适用 速度的合成 时间与空间互不相干，关系式v船岸=v船水十v水岸成立 速度与位移、时间的测量有关，v船岸=v船水十v水岸不成立 联系 （1）以下两种情况，相对论与经典力学的结论没有区别: ①物体的速度远小于光速c(3×108m/s)时。 ②普朗克常量(6.63X10~34J·s)可以忽略不计时。 （2）相对论和量子力学都没有否定经典力学，经典力学是相对论、量子力学的特殊情况。 【典例2】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．相对论和量子力学证明牛顿力学是错误和过时的 B．牛顿力学认为物体的质量会随运动速度增大而增大 C．相对论时空观认为运动的尺子在其前进方向上会变长 D．相对论时空观认为运动的时钟在外界观测者看来会变慢 【答案】D 【详解】A．相对论和量子力学是在高速和微观领域对牛顿力学的扩展，但牛顿力学在低速宏观条件下仍适用，并非完全错误或过时，故A错误； B．牛顿力学中物体的质量是常量，不随运动速度变化；相对论中质量随运动速度增大而增大，故B错误； C．相对论时空观中的长度收缩效应表明，运动的尺子在其运动方向上会缩短，而非变长，故C错误； D．相对论时空观中的时间膨胀效应表明，运动的时钟在外界观测者看来会变慢，故D正确。 故选D。 【变式2-1】下列运动不能用牛顿力学规律解释的是（　　） A．射出的子弹 B．“复兴号”动车从长沙向北京运动 C．月球绕地球运动 D．电子绕原子核高速运动 【答案】D 【详解】A．子弹属于宏观物体且速度远低于光速，牛顿力学适用，A错误； B．动车是宏观低速运动的物体，牛顿力学适用，B错误； C．月球绕地球运动属于宏观天体的低速运动，牛顿万有引力定律可解释，C错误； D．电子是微观粒子，其绕原子核的运动需用量子力学描述，牛顿力学无法解释其量子化行为，D正确。 故选D。 【变式2-2】（多选）万有引力定律的发现和应用以及相对论、量子力学的提出，对人类智慧的影响至为深远。下列说法正确的是（    ） A．依据万有引力定律，哈雷预测了哈雷彗星的“按时回归” B．依据万有引力定律，开普勒预言了人类可以发射地球卫星 C．相对论和量子力学彻底否定了牛顿力学 D．牛顿力学适用于宏观世界、低速运动 【答案】AD 【详解】A．依据万有引力定律，哈雷预测了哈雷彗星的“按时回归”，故A正确； B．万有引力定律是牛顿在开普勒去世后才发现的，开普勒不可能预言了人类可以发射地球卫星，故B错误； CD．相对论与量子力学并没有否定牛顿力学理论，牛顿力学理论在宏观世界、低速运动中仍适用，故C错误，D正确。 故选AD。 【变式2-3】（多选）关于经典时空观和相对论时空观，下列说法正确的是（　　） 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．研究接近光速的粒子时经典力学不适用 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 【答案】ABC 【详解】AB．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，故AB正确； 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，故C正确； 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没有区别，故D错误。 故选ABC。 知识点3 宇宙起源与恒星的演化 1、宇宙起源（宇宙大爆炸理论） （1）宇宙大爆炸理论是目前广泛接受的宇宙起源理论，它表明宇宙起源于一个极度热密的初始状态，然后经历了急剧膨胀。 （2）这一理论解释了宇宙中各种天体的分布、宇宙背景辐射以及宇宙的演化历史。 （3）它是由比利时天文学家乔治•勒梅特和美国天文学家埃德温•哈勃等人提出的。 2、恒星的演化 （1）恒星初级阶段：由星云向外辐射能量，所形成的的反向推力聚集而成，类似于水的冷凝。 （2）恒星阶段：当初始星云，具备了向内运动的动力，并且聚集之后，突破星云物质分子、原子，释放大量热能的同时释放出十分巨大的空间。 （3）恒星衰老之后的演变取决于恒星的质量：当质量足够大能够压破原子核，就能形成中子星；大到能够压迫中子就可能形成所谓的黑洞；当然恒星质量不足，最终无法进入下一个阶段，只能衰变为白矮星。 【典例3】人类对宇宙的探索已经有很长的历史。从2300多年前我国战国时期的思想家尸佼给出了宇宙的定义到广义相对论建立之后，宇宙学真正成为了现代科学意义上的一门学科。1929年，美国天文学家哈勃通过对大量星系的观测发现，银河系外的绝大部分星系都在___________（选填：A．靠近  B．远离）我们，据此，科学家提出了_________宇宙学，以解释宇宙的起源。 【答案】 B 爆炸 【详解】[1][2]1929年，美国天文学家哈勃通过对大量星系的观测发现，银河系外的绝大部分星系都在远离我们，据此，科学家提出了爆炸宇宙学，以解释宇宙的起源。 【变式3-1】关于恒星的说法正确的是（　　） A．极少数恒星有着和太阳相同的化学成分 B．当恒星变为红色的巨星或超巨星时，就意味着这颗恒星刚刚诞生 C．恒星起源于宇宙中的气体、尘埃等物质 D．神秘天体—黑洞一般由小质量恒星演化形成 【答案】C 【详解】A．绝大多数恒星有着和太阳相同的化学成分，故A错误； B．恒星燃料耗尽后其核心不再释放能量，核心开始收缩，而外部开始膨胀，于是恒星就变成了一颗红色的巨星或超巨星，故B错误； C．恒星是宇宙中最基本的天体之一，它们由气体、尘埃等物质聚集而成，通过核反应产生能量并持续辐射出来，故C正确； D．神秘天体—黑洞一般由大质量恒星演化形成，故D错误。 故选C。 【变式3-2】有关恒星的寿命下列说法中正确的是（　　　） A．恒星的质量越大，它的寿命越长 B．恒星的质量越小，它的寿命越长 C．恒星的寿命与质量无关 D．恒星的寿命与构成恒星的物质、温度、亮度有关 【答案】B 【详解】ABC．恒星质量越大，内部压力越大，核反应越快，质量亏损越快，寿命越短，故恒星的质量越小，寿命就越长。故AC错误，B正确； D．恒星的寿命与构成恒星的物质、温度、亮度无关 ，故D错误。 故选B。 【变式3-3】恒星的颜色与_________密切有关，最冷的恒星（大约3200°C），在天空中呈现暗红色。表面温度5500°C的太阳发出白光。太空中最热的恒星（表面温度高于10000°C）则会呈现________色。 【答案】 它表面的温度 偏蓝 【详解】[1]恒星表面的颜色与它表面的温度有关。 [2]最热的恒星则会呈现偏蓝色。 1．对于下列物体的运动，经典力学不适用的是（　　） A．复兴号列车在高速行驶 B．辽宁号航母在大海上航行 C．国产大飞机C919在空中飞行 D．微观粒子以0.7倍的光速运动 【答案】D 【详解】经典力学（牛顿力学）适用于宏观物体在低速（远低于光速）运动的情况。当物体的速度接近光速或物体为微观粒子时，经典力学不再适用，需用相对论或量子力学分析。复兴号列车、辽宁号航母、国产大飞机C919均为宏观物体，其速度都远低于光速，经典力学均适用；微观粒子（如电子或质子）以0.7倍的光速运动时，由于其速度极高（），相对论效应显著，故经典力学不再适用。 故选D。 2．1905年爱因斯坦发表了一篇改变历史的重要论文《论动体的电动力学》，提出了著名的狭义相对论，狭义相对论阐述物体以接近光的速度时所遵循的规律，已经成为现代科学重要基础理论之一。下列现象中不属于狭义相对论效应的是（　　） A．时空弯曲效应 B．长度收缩效应 C．时间延缓效应 D．质量增加效应 【答案】A 【详解】A．时空弯曲效应是广义相对论的核心内容，描述物质和能量对时空几何结构的影响，而狭义相对论不涉及引力或时空弯曲，故A符合题意； B．长度收缩效应是狭义相对论的基本结论，指物体在运动方向上的长度缩短，故B不符合题意； C．时间延缓效应（钟慢效应）是狭义相对论的重要效应，指高速运动的参考系中时间流逝变慢，故C不符合题意； D．质量增加效应是狭义相对论的结论，物体质量随速度增大而增加，故D不符合题意。 故选A。 3．下列说法正确的是（    ） A．洲际导弹的速度有时可达到6000m/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 【详解】A．相对论中的高速通常指接近光速（），而洲际导弹速度仅为光速的 可知其远低于相对论效应显著的阈值，故不属于高速，A错误； B．经典力学适用于宏观物体的低速运动，但不适用于微观世界（如原子尺度），微观世界需用量子力学描述；经典力学对高速运动不适用，对微观世界也不适用，B错误； C．在宏观物体的低速运动（）条件下，相对论和量子力学的预测会退化为经典力学的结论，例如相对论在低速下近似牛顿定律，量子力学在宏观尺度下可忽略量子效应，三者一致，C正确； D．在相对论中，物体的质量随速度变化 （其中为静质量），并非任何时候都不变，D错误。 故选C。 4．一艘飞船静止时船身长为L，它以0.3c（c为光速）光速沿船身方向飞离地球，飞船与地面通过电磁波相互联络，则（   ） A．地面上观测者测得来自飞船电磁波信号的速度等于光速 B．飞船上观测者测得来自地面电磁波信号的速度小于光速 C．飞船上观测者测得飞船长度小于L D．地面上观测者测得飞船长度等于L 【答案】A 【详解】AB．根据狭义相对论的光速不变原理，地面上观测者测得来自飞船电磁波信号的速度等于光速，飞船上观测者测得来自地面电磁波信号的速度等于光速，故A正确，B错误； C．飞船上观测者相对于飞船静止，所以测得飞船长度等于L，故C错误； D．根据狭义相对论的尺缩原理可知，地面上观测者测得飞船长度小于L，故D错误。 故选A。 5．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．当物体的运动速度远小于光速时，经典力学是适用的 B．经典力学认为时间和空间与物体及其运动有关系 C．相对论时空观适用于宏观物体、低速运动问题，不适用于高速运动的问题 D．相对论时空观认为时间和空间是独立于物体及其运动而存在的 【答案】A 【详解】A．经典力学在物体速度远小于光速时适用，例如日常宏观物体的运动，故A正确； B．牛顿力学主张绝对时空观，认为时空独立于物体运动，而相对论提出时空与物质运动相关，故B错误； C．相对论适用于高速(接近光速)或强引力场的情况，而经典力学适用于低速，故C错误； D．相对论时空观明确否定时空的独立性，强调时空与物质运动的联系，故D错误。 故选A。 6．下列说法中，正确的是（　　） A．开普勒通过分析第谷的观测数据，提出了行星运动三大定律 B．牛顿第一次在实验室里测出了万有引力常量 C．真空中的光速在不同的惯性参考系中大小是不相同的 D．牛顿力学在高速（接近光速）或强引力场情况下仍然精确适用 【答案】A 【详解】A．开普勒基于第谷的观测数据总结出行星运动三大定律，故A正确； B．万有引力常量由卡文迪许通过扭秤实验首次测得，牛顿未测出，故B错误； C．狭义相对论指出，真空光速在所有惯性参考系中均相同，故C错误； D．牛顿力学仅适用于低速、弱引力场，高速或强引力场需用相对论，故D错误。 故选A。 7．以下说法符合事实的是（    ） A．开普勒根据第谷的数据推导出了万有引力定律 B．引力常量的数值是由卡文迪什通过扭秤装置测定的 C．当两物体之间距离r趋于0，两物体之间的万有引力趋于无穷大 D．牛顿的经典力学取得了巨大的成就，它适用于一切宏观和微观问题 【答案】B 【详解】A．开普勒根据第谷的数据总结出行星运动三定律，而万有引力定律是牛顿提出的，A错误； B．卡文迪什通过扭秤实验首次测定了引力常量G的数值，B正确； C．当两物体间距r趋近于0时，物体不能视为质点，万有引力公式不再适用，C错误； D．经典力学适用于宏观、低速领域，不适用于微观或高速（接近光速）问题，D错误。 故选B。 8．根据气体吸收谱线的红移现象推算，有的类星体远离我们的速度竟达光速c的80%，即每秒24万千米。下列结论正确的是(　　) A．在类星体上测得它发出的光的速度是(1+80%)c B．在地球上接收到它发出的光的速度是(1-80%)c C．在类星体上测得它发出的光的速度是c D．在地球上测得它发出的光的速度是0.8c 【答案】C 【详解】根据爱因斯坦相对论的光速不变原理得：在一切惯性参考系中，测量到的真空的光速c都一样。在一切惯性系中观测到的真空中传播的同一束光，不论沿任何方向，其速度大小都为c，与光源或观察者的运动无关。所以在类星体上测得它发出的光的速度是c，在地球上测得它发出的光的速度是c，C正确，ABD错误． 故选C。 9．（多选）光在真空中的速度为c，如果某飞船在以0.5c的速度向某一星球飞行时，发出一光信号进行提示。假设所有的星球均相对静止，则下列说法正确的是（　　） A．该星球上的人观测到的光信号的速度为1.5c B．该星球上的人观测到的光信号的速度为c C．地球上的人观测到的光信号的速度为c D．飞船正后方的某星球上的人观测到的光信号的速度为0.5c 【答案】BC 【详解】根据相对论，真空中的光速相对于不同的惯性参考系是相同的，都是，故BC正确，AD错误。 故选BC。 10．（多选）下列认识正确的是（　　） A．中国东风27超高音速导弹的飞行速度可达到3400m/s，牛顿力学不再适用 B．地面观察者观测到的在0.7c运行的列车上乘客的手表走时更慢 C．对于地面上静止不动的物体，在不同的惯性参考系中测得该物体的长度都是一样的 D．在不同的惯性参考系中，测得真空中的光速大小依然相同 【答案】BD 【详解】A．牛顿力学（经典力学）的适用范围是低速（远小于光速）和宏观领域。光速为 ，虽然很高，但远小于光速。此时相对论效应（如时间膨胀、长度收缩）可以忽略，牛顿力学仍然适用，A错误； B．这是狭义相对论的时间膨胀效应。地面观察者（静止参考系）会认为运动参考系（列车）中的时间流逝更慢。公式 其中 时，，确实存在时间膨胀，B正确； C．狭义相对论中，长度测量是参考系依赖的（长度收缩效应）。静止参考系中测得的长度是固有长度。运动参考系中测得的长度会收缩。因此，不同参考系中测得的长度一般不同，C错误； D．这是狭义相对论的基本假设之一（光速不变原理）。已被大量实验验证，与经典速度叠加不同，光速与参考系无关，D正确。 故选BD。 11．（多选）下列说法中正确的是（　　） A．两物体间的距离趋近于零时，万有引力趋近于无穷大 B．相对论的建立彻底否定了牛顿经典力学理论 C．牛顿力学适用于宏观世界中做低速运动的物体 D．狭义相对论的其中一个基本假设是在不同的惯性参考系中，测得的真空中的光速相同 【答案】CD 【详解】A．两物体间的距离趋近于零时，万有引力定律不再适用，选项A错误； BC．相对论并没有否定牛顿牛顿力学，只是限定了牛顿力学的适用范围，牛顿力学仅适用于宏观、低速运动的物体，对微观、高速运动物体不再适用，故B错误，C正确； D．狭义相对论的其中一个基本假设是在不同的惯性参考系中，测得的真空中的光速相同，选项D正确。 故选CD。 12．（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 【答案】BC 【详解】AB．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，A错误，B正确； C．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，C正确； D．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，D错误。 故选BC。 13．（多选）2023年10月26日，“神舟十七号”载人飞船在我国酒泉卫星发射中心成功发射，17时46分“神十七”入轨后，成功对接天和核心舱前向端口，19时34分，“神十七”三名宇航员顺利进驻中国空间站，和“神十六”三名宇航员会师。若地球表面重力加速度为，地球半径为6400km，空间站轨道离地高度约为400km，则下列说法正确的是（　　） A．宇航员们在空间站1天内能围绕地球转24圈 B．宇航员们在空间站里能完成弹簧振子的实验 C．“神舟十七号”载人飞船从发射到进入预定轨道的整个过程均处于失重状态 D．仅考虑狭义相对论效应，宇航员们在空间站中观察到时钟走过20s，理论上站在地面上的观察者手里的时钟走过的时间会大于20s 【答案】BD 【详解】A．根据万有引力提供向心力 根据万有引力与重力的关系 解得空间站绕地球运动的周期为 则宇航员们在空间站1天内能围绕地球转的圈数为 故A错误； B．在空间站内，虽然宇航员们处于完全失重状态，但仍然能完成弹簧振子的实验，故B正确； C．在加速升空阶段加速度的方向向上，所以加速升空阶段处于超重状态，卫星进入预定轨道后围绕地球做匀速圆周运动，卫星的加速度等于重力加速度，处于失重状态，故C错误； D．根据狭义相对论钟缓效应，理论上站在地面上的观察者手里的时钟走过的时间大于20s，故D正确。 故选BD。 14．一列火车在前进中，车头和车尾各遭到一次闪电轰击。据车上的一个观察者测定，这两次轰击是同时发生的。则车上的观察者位于_________（A．车前部B．车正中C．车后部，选填“”、“”或“”），对于铁路边地面上观察者来说，_________（A．车头先B．车尾先C．头尾同时，选填“”、“”或“”）受到轰击。 【答案】 B B 【详解】[1]由于车上的观察者测定两次轰击是同时发生的，根据光速不变原理，说明观察者在火车的中间。 故选B。 [2]在地面观察者看来，闪电发出的同时，车也向前运动，故车尾先遭到轰击。 故选B。 15．（1）为了提高定位精度，卫星定位系统的时钟需要精确同步。导航卫星在高空绕地球高速运动，根据狭义相对论，卫星里的时钟要比静止在地面的时钟走得_________；而根据广义相对论，地面的引力场强于卫星所处位置的引力场，所以卫星里的时钟要比静止在地面的时钟走得_________。（选填“快”或“慢”） （2）除（1）中的相对论效应外，请再各举例一个效应：①由于狭义相对论引起：__________________，②由于广义相对论引起：_________。 【答案】 慢 快 见解析 见解析 【详解】（1）[1][2] 导航卫星在高空绕地球高速运动，根据时钟延缓效应，卫星里的时钟要比静止在地面的时钟走得慢，而根据广义相对论，地面的引力场强于卫星所处位置的引力场，所以卫星里的时钟要比静止在地面的时钟走得快。 （2）[3][4] 由于狭义相对论引起：狭义相对论的尺缩效应。由于广义相对论引起：日食时，我们可以看到太阳背后的星星（引力扭曲光线） 16．请思考下列问题： (1)设想人类可以利用飞船以0.2c的速度进行星际航行。若飞船向正前方的某一星球发射一束激光，该星球上的观察者测量到的激光的速度是多少？ (2)高速列车行驶时车厢内显示的列车速度，列车上的乘客观察到车厢内的时间、长度与地面上的观察者看到的相同吗？时间和空间都不会因为物体的运动而改变呢？ 【详解】（1）当飞船以0.2c的速度进行星际航行，若飞船向正前方的某一星球发射激光，根据光速不变原理可知，该星球上的观察者测量到的激光速度为c。 （2）根据爱因斯坦相对论的钟慢效应和尺缩效应可知，高速列车行驶时车厢内显示的列车速度，列车上的乘客观察到车厢内的时间、长度与地面上的观察者看到的不相同；时间和空间会因为物体的运动而改变。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 $ 7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性（知识解读）（解析版） •知识点1 相对论时空观 •知识点2 牛顿力学的局限性 •知识点3 宇宙起源与恒星的演化 •作业 随堂检测 知识点1 相对论时空观 1、狭义相对论的两个基本假设 （1）狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。 （2）光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。  2、“同时”的相对性：同时是相对的，与参考系的运动有关。 3、钟慢效应（时间间隔的相对性）： （1）一般来说，在一个相对我们做高速运动的惯性系中发生的物理过程，在我们看来，他所经历的时间比在这个惯性系中直接观察到的时间长。惯性系的速度越大，我们观察到的过程所经历的时间也就越长。对于化学反应、生命过程等，这一结论也是正确的。这就是时间延缓效应，又叫做钟慢效应。 （2）钟慢效应的计算公式（时间间隔的相对性）：。 4、尺缩效应（长度的相对性） （1）尺缩效应产生原因：尺缩效应，又称长度收缩效应，是相对论性效应之一。它产生的原因是由于同时性的相对性。在狭义相对论中，两个事件从一个参考系来看是同时的，但从另一个相对运动的参考系来看则不再是同时的。这种对牛顿绝对时空观的破坏导致了尺缩效应的出现。具体来说，当测量一根沿其方向作匀速直线运动的杆子的长度时，必须同时记下它两端的空间位置，而这两个空间位置之间的距离就定义为运动杆子的长度。狭义相对论预言，沿杆子方向运动的杆子的长度会比它静止时的长度短。 （2）尺缩效应实验验证方法：虽然直接验证尺缩效应的实验在宏观尺度上难以实现，但可以通过一些间接的实验来支持这一理论。例如，Rossi and Hall（1941）进行的μ子实验，他们比较了位于山顶和位于海平面的由宇宙射线制造出的μ子数量。尽管μ子从山顶到地面所需的时间已经是几个半衰期，但在海面的μ子数量却只是少了一点。这是由于μ子相对于测试者以高速运动，导致了可观的时间膨胀效应（与尺缩效应相关的一种现象），从而间接支持了尺缩效应的存在。 （3）尺缩效应的应用实例：尺缩效应作为相对论的一个重要效应，其理论意义远大于实际应用。然而，它对于理解高速运动物体的物理行为以及时空的相对性具有重要意义。在理论物理、天体物理以及粒子物理等领域，尺缩效应都是不可或缺的概念。例如，在粒子加速器中，当粒子接近光速运动时，其长度的收缩效应需要考虑在内，以确保实验结果的准确性。 （4）尺缩效应的计算公式（长度的相对性）：。 5、相对论速度的变换公式 以高速火车为例，设车对地面的速度为v，车上的人以速度u'沿着火车前进的方向相对火车运动，那么他相对地面的速度u为如果车上人的运动方向与火车的运动方向相反，则u'取负值。当这两个速度的方向垂直或成其他角度时，情况比较复杂，上式不适用，我们不讨论这种情况。 按照经典的时空观，u=u'+v。而从上式来看，实际上人对地面的速度u比u'与v之和要小，不过只有在u'和u的大小可以与c相比时才会观察到这个差别。 6、相对论质量 按照牛顿力学，物体的质量是不变的，因此一定的力作用在物体上，产生的加速度也是一定的，这样，经过足够长的时间以后物体就会达到任意的速度。 但是相对论的速度叠加公式表明，物体的运动速度不能无限增加，这个矛盾启发我们思考：物体的质量是否随物体速度的增加而增大？ 严格的论证证实了这一点，实际上，物体以速度v运动时的质量m与静止时的质量m0之间有如下关系： 。 由于物体的速度c不可能达到光速，所以总有v＜c，1-＜1；所以物体运动时的质量m总是大于静止时的质量m0。这个方程叫做质增方程。 7、广义相对相对性原理和等效原理 （1）广义相对性原理：在任何参考系中物理规律都是相同的。 （2）等效原理：一个均匀引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。 【典例1】下列说法正确的是（　　） A．在运行的列车上的手表走过，地面上“实际”时间小于 B．牛顿力学不仅适用于宏观物体的低速运动，也适用于微观粒子的高速运动 C．由于相对论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值 D．在不同的惯性参考系中，测得真空中的光速大小依然相同 【变式1-1】根据狭义相对论，相对观测者以接近光速运动的物体（　　） A．沿运动方向的长度变短 B．沿运动方向的长度变长 C．垂直于运动方向的高度变小 D．垂直于运动方向的高度变大 【变式1-2】（多选）下列说法正确的是（　　） A．由时间延缓效应可知，固有时间最短 B．由长度收缩效应可知，静止长度最长 C．由质速关系可知，静止质量最大 D．加速场和引力场是等效的 【变式1-3】（多选）A、B两架飞机沿地面上一足球场的长轴方向在其上空高速飞过，且，对于在飞机上的人观察的结果，下列说法正确的是（　　） A．A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的大 B．A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的小 C．两飞机上的人观察到足球场的长度相同 D．两飞机上的人观察到足球场的宽度相同 知识点2 牛顿力学的局限性 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……所有这些都服从牛顿力学的规律。 2、牛顿力学的局限性：牛顿力学对于高速运动的物体和电子、质子、中子等微观粒子是不适用的。 （1）量子力学的建立能够很好地描述宏观低速运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用。 （2）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。 3、经典力学与相对论、量子力学的比较 项目 经典力学 相对论、量子力学 形成时期 物理学形成的初期阶段，受历史发展限制，理论较肤浅、片面 形成于物理学充分发展的现代，理论较完善、科学 适用范围 低速运动、宏观世界 任何情况都适用 速度的合成 时间与空间互不相干，关系式v船岸=v船水十v水岸成立 速度与位移、时间的测量有关，v船岸=v船水十v水岸不成立 联系 （1）以下两种情况，相对论与经典力学的结论没有区别: ①物体的速度远小于光速c(3×108m/s)时。 ②普朗克常量(6.63X10~34J·s)可以忽略不计时。 （2）相对论和量子力学都没有否定经典力学，经典力学是相对论、量子力学的特殊情况。 【典例2】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．相对论和量子力学证明牛顿力学是错误和过时的 B．牛顿力学认为物体的质量会随运动速度增大而增大 C．相对论时空观认为运动的尺子在其前进方向上会变长 D．相对论时空观认为运动的时钟在外界观测者看来会变慢 【变式2-1】下列运动不能用牛顿力学规律解释的是（　　） A．射出的子弹 B．“复兴号”动车从长沙向北京运动 C．月球绕地球运动 D．电子绕原子核高速运动 【变式2-2】（多选）万有引力定律的发现和应用以及相对论、量子力学的提出，对人类智慧的影响至为深远。下列说法正确的是（    ） A．依据万有引力定律，哈雷预测了哈雷彗星的“按时回归” B．依据万有引力定律，开普勒预言了人类可以发射地球卫星 C．相对论和量子力学彻底否定了牛顿力学 D．牛顿力学适用于宏观世界、低速运动 【变式2-3】（多选）关于经典时空观和相对论时空观，下列说法正确的是（　　） 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．研究接近光速的粒子时经典力学不适用 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 知识点3 宇宙起源与恒星的演化 1、宇宙起源（宇宙大爆炸理论） （1）宇宙大爆炸理论是目前广泛接受的宇宙起源理论，它表明宇宙起源于一个极度热密的初始状态，然后经历了急剧膨胀。 （2）这一理论解释了宇宙中各种天体的分布、宇宙背景辐射以及宇宙的演化历史。 （3）它是由比利时天文学家乔治•勒梅特和美国天文学家埃德温•哈勃等人提出的。 2、恒星的演化 （1）恒星初级阶段：由星云向外辐射能量，所形成的的反向推力聚集而成，类似于水的冷凝。 （2）恒星阶段：当初始星云，具备了向内运动的动力，并且聚集之后，突破星云物质分子、原子，释放大量热能的同时释放出十分巨大的空间。 （3）恒星衰老之后的演变取决于恒星的质量：当质量足够大能够压破原子核，就能形成中子星；大到能够压迫中子就可能形成所谓的黑洞；当然恒星质量不足，最终无法进入下一个阶段，只能衰变为白矮星。 【典例3】人类对宇宙的探索已经有很长的历史。从2300多年前我国战国时期的思想家尸佼给出了宇宙的定义到广义相对论建立之后，宇宙学真正成为了现代科学意义上的一门学科。1929年，美国天文学家哈勃通过对大量星系的观测发现，银河系外的绝大部分星系都在___________（选填：A．靠近  B．远离）我们，据此，科学家提出了_________宇宙学，以解释宇宙的起源。 【变式3-1】关于恒星的说法正确的是（　　） A．极少数恒星有着和太阳相同的化学成分 B．当恒星变为红色的巨星或超巨星时，就意味着这颗恒星刚刚诞生 C．恒星起源于宇宙中的气体、尘埃等物质 D．神秘天体—黑洞一般由小质量恒星演化形成 【变式3-2】有关恒星的寿命下列说法中正确的是（　　　） A．恒星的质量越大，它的寿命越长 B．恒星的质量越小，它的寿命越长 C．恒星的寿命与质量无关 D．恒星的寿命与构成恒星的物质、温度、亮度有关 【变式3-3】恒星的颜色与_________密切有关，最冷的恒星（大约3200°C），在天空中呈现暗红色。表面温度5500°C的太阳发出白光。太空中最热的恒星（表面温度高于10000°C）则会呈现________色。 1．对于下列物体的运动，经典力学不适用的是（　　） A．复兴号列车在高速行驶 B．辽宁号航母在大海上航行 C．国产大飞机C919在空中飞行 D．微观粒子以0.7倍的光速运动 2．1905年爱因斯坦发表了一篇改变历史的重要论文《论动体的电动力学》，提出了著名的狭义相对论，狭义相对论阐述物体以接近光的速度时所遵循的规律，已经成为现代科学重要基础理论之一。下列现象中不属于狭义相对论效应的是（　　） A．时空弯曲效应 B．长度收缩效应 C．时间延缓效应 D．质量增加效应 3．下列说法正确的是（    ） A．洲际导弹的速度有时可达到6000m/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 4．一艘飞船静止时船身长为L，它以0.3c（c为光速）光速沿船身方向飞离地球，飞船与地面通过电磁波相互联络，则（   ） A．地面上观测者测得来自飞船电磁波信号的速度等于光速 B．飞船上观测者测得来自地面电磁波信号的速度小于光速 C．飞船上观测者测得飞船长度小于L D．地面上观测者测得飞船长度等于L 5．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．当物体的运动速度远小于光速时，经典力学是适用的 B．经典力学认为时间和空间与物体及其运动有关系 C．相对论时空观适用于宏观物体、低速运动问题，不适用于高速运动的问题 D．相对论时空观认为时间和空间是独立于物体及其运动而存在的 6．下列说法中，正确的是（　　） A．开普勒通过分析第谷的观测数据，提出了行星运动三大定律 B．牛顿第一次在实验室里测出了万有引力常量 C．真空中的光速在不同的惯性参考系中大小是不相同的 D．牛顿力学在高速（接近光速）或强引力场情况下仍然精确适用 7．以下说法符合事实的是（    ） A．开普勒根据第谷的数据推导出了万有引力定律 B．引力常量的数值是由卡文迪什通过扭秤装置测定的 C．当两物体之间距离r趋于0，两物体之间的万有引力趋于无穷大 D．牛顿的经典力学取得了巨大的成就，它适用于一切宏观和微观问题 8．根据气体吸收谱线的红移现象推算，有的类星体远离我们的速度竟达光速c的80%，即每秒24万千米。下列结论正确的是(　　) A．在类星体上测得它发出的光的速度是(1+80%)c B．在地球上接收到它发出的光的速度是(1-80%)c C．在类星体上测得它发出的光的速度是c D．在地球上测得它发出的光的速度是0.8c 9．（多选）光在真空中的速度为c，如果某飞船在以0.5c的速度向某一星球飞行时，发出一光信号进行提示。假设所有的星球均相对静止，则下列说法正确的是（　　） A．该星球上的人观测到的光信号的速度为1.5c B．该星球上的人观测到的光信号的速度为c C．地球上的人观测到的光信号的速度为c D．飞船正后方的某星球上的人观测到的光信号的速度为0.5c 10．（多选）下列认识正确的是（　　） A．中国东风27超高音速导弹的飞行速度可达到3400m/s，牛顿力学不再适用 B．地面观察者观测到的在0.7c运行的列车上乘客的手表走时更慢 C．对于地面上静止不动的物体，在不同的惯性参考系中测得该物体的长度都是一样的 D．在不同的惯性参考系中，测得真空中的光速大小依然相同 11．（多选）下列说法中正确的是（　　） A．两物体间的距离趋近于零时，万有引力趋近于无穷大 B．相对论的建立彻底否定了牛顿经典力学理论 C．牛顿力学适用于宏观世界中做低速运动的物体 D．狭义相对论的其中一个基本假设是在不同的惯性参考系中，测得的真空中的光速相同 12．（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 13．（多选）2023年10月26日，“神舟十七号”载人飞船在我国酒泉卫星发射中心成功发射，17时46分“神十七”入轨后，成功对接天和核心舱前向端口，19时34分，“神十七”三名宇航员顺利进驻中国空间站，和“神十六”三名宇航员会师。若地球表面重力加速度为，地球半径为6400km，空间站轨道离地高度约为400km，则下列说法正确的是（　　） A．宇航员们在空间站1天内能围绕地球转24圈 B．宇航员们在空间站里能完成弹簧振子的实验 C．“神舟十七号”载人飞船从发射到进入预定轨道的整个过程均处于失重状态 D．仅考虑狭义相对论效应，宇航员们在空间站中观察到时钟走过20s，理论上站在地面上的观察者手里的时钟走过的时间会大于20s 14．一列火车在前进中，车头和车尾各遭到一次闪电轰击。据车上的一个观察者测定，这两次轰击是同时发生的。则车上的观察者位于_________（A．车前部B．车正中C．车后部，选填“”、“”或“”），对于铁路边地面上观察者来说，_________（A．车头先B．车尾先C．头尾同时，选填“”、“”或“”）受到轰击。 15．（1）为了提高定位精度，卫星定位系统的时钟需要精确同步。导航卫星在高空绕地球高速运动，根据狭义相对论，卫星里的时钟要比静止在地面的时钟走得_________；而根据广义相对论，地面的引力场强于卫星所处位置的引力场，所以卫星里的时钟要比静止在地面的时钟走得_________。（选填“快”或“慢”） （2）除（1）中的相对论效应外，请再各举例一个效应：①由于狭义相对论引起：__________________，②由于广义相对论引起：_________。 16．请思考下列问题： (1)设想人类可以利用飞船以0.2c的速度进行星际航行。若飞船向正前方的某一星球发射一束激光，该星球上的观察者测量到的激光的速度是多少？ (2)高速列车行驶时车厢内显示的列车速度，列车上的乘客观察到车厢内的时间、长度与地面上的观察者看到的相同吗？时间和空间都不会因为物体的运动而改变呢？ 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 $