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

7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性 重点内容 1 相对论时空观 2 牛顿力学的成就与局限性 相对论时空观 1．19世纪，英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了_电磁波__的存在，并证明电磁波的传播速度等于_光速c__。 2．1887年的迈克耳孙—莫雷实验以及其他一些实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度都是_一样__的。 3．爱因斯坦假设：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是_相同__的；真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是_相同__的。 4．时间延缓效应：完成同一动作，在惯性参考系上的时间间隔Δτ和在地面上的人的时间间隔Δt之间的关系是。由于1－<1，所以总有Δt>Δτ，此种情况称为时间延缓效应。 5．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－<1，所以总有l<l0，此种情况称为长度_收缩效应__。 6． 相对论时空观：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。 (1)绝对时空观对“同时”的认识：在同一个惯性参考系不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察也是同时的； (2)相对论的时空观对“同时”的认识：“同时”具有相对性，即在同一个惯性参考系不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察不一定是同时的。 ~~~~练~习~的~分~割~线~~~~ 【例1】（2025•新蔡县三模）仅考虑狭义相对论效应，在高速飞行的火箭里的时钟走过，理论上站在地面上的观察者手里的时钟走过的时间（　　） A．大于 B．小于 C．等于 D．都有可能 【解答】解：根据狭义相对论公式△△，其中，△是固有时间（火箭内的时间），△是地面观察者测得的时间，由于，因此△△，题目中火箭内的时间△，火箭速度接近光速（但。故地面上的观察者手里的时钟走过的时间△，故错误，正确。故选：。 【例2】（2025春•常州期末）设想人类利用飞船以的速度进行星际航行，若飞船向正前方的某星球发射一束激光，则该星球上的观察者测量到激光的速度应该是　　 A． B． C． D． 【解答】解：根据光速不变原理可知，该星球上的观察者测量到激光的速度为，故正确，错误。故选：。 【例3】（多选）（2025春•仁寿县校级期末）光在真空中的速度为，如果某飞船在以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 B．该星球上的人观测到的光信号的速度为 C．地球上的人观测到的光信号的速度为 D．飞船正后方的某星球上的人观测到的光信号的速度为 【解答】解：根据狭义相对论的假设，真空中光速相对于不同的惯性参考系是相同的，即在任何地方的光速都是，故正确，错误。故选：。 【例4】（2024•徐汇区校级开学）在一个高速旋转的巨大转盘上放置三个完全相同的时钟，放在转轴处，放在中间，放在边缘处，如图所示。对于地面上的观察者，根据相对论认为三个时钟的快慢情况，下列说法正确的是　　 A．钟最快，、钟一样慢 B．钟最慢，、钟一样快 C．钟最快，钟最慢 D．钟最慢，钟最快 【解答】解：同轴转动角速度相同，根据可知线速度大小关系为：； 根据爱因斯坦相对论可知，速度越大，时钟走的越慢，故钟最快，钟最慢，故正确、错误。 故选：。 【例5】（2024•镇海区模拟）如图所示，位于教室中央的光源发出一个闪光，闪光照到了教室的前壁和后壁。教室的长度为。在平行于教室高速运动的太空飞船上的观察者　　 A．测得照到前壁的光速度小于 B．观测到飞船上的时间进程比教室慢 C．测得教室的长度小于 D．观察到光同时到达前、后壁 【解答】解：．根据光速不变原理，不论光源与观察者之间做怎样的相对运动，光速都是一样的等于，教室相对于飞船向左运动，则光到前壁的路程变短，光先到达前壁，故错误； ．根据爱因斯坦的时间相对论公式△，可知飞太空飞船上的观察者认为看到教室中的时钟变慢，即观测到飞船上的时间进程比教室快， 根据长度相对论公式，教室的长度变短小于，故错误，正确。故选：。 牛顿力学的成就与局限性 一、经典力学与相对论的区别与联系 1．区别 比较项 经典力学 相对论 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，弱引力作用 任何情况都适用 速度对质 量的影响 物体的质量不随其速度的变化而变化 物体的质量随其速度的增加而增大 速度的合成 时间与空间互不相干 速度与位移、时间的测量有关 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)相对论并没有否定经典力学，经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形。 二、对相对论的理解 1．两个基本原理 (1)相对性原理：所有物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式，表明在任何惯性系中研究某个物体的某一运动过程，其运动规律形式不变。 (2)光速不变原理：在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c都一样，表明了经典时空观与相对论时空观的不同。 ~~~~练~习~的~分~割~线~~~~ 【例6】（2025春•肇庆月考）下列物理情景中，经典的牛顿力学不再适用的是　　 A．“卢水胡”部落中的骑马射箭、挥刀逐鹿 B．“三体”小说中的光速飞船 C．“高鸟黄云暮”中的运动 D．“逐道”训练时，在空中的啦啦操队员 【解答】解：经典的牛顿力学适用于宏观、低速的运动，不适用于微观、高速的运动，“三体”小说中的光速飞船，属于高速运动，其他运动都属于宏观、低速的运动，故正确，错误。故选：。 【例7】（2025春•涪城区校级期末）牛顿创立了经典力学，揭示了包括行星在内的宏观物体的运动规律；爱因斯坦进一步发展了经典力学，创立了相对论。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．相对论时空观认为运动的时钟会变快，运动的尺子会变长 B．相对论时空观认为在某参考系中同时发生的两件事，在另一参考系看来不一定是同时的 C．经典力学不能适用于“天问一号”宇宙探测器在火星着陆 D．在经典力学中，物体的质量随运动状态改变而改变 【解答】解：相对论时空观认为，运动的时钟会变慢，即时间延缓效应，同时运动的尺子会变短，即长度收缩效应，故错误。相对论时空观确实认为，在某参考系中同时发生的两件事，在另一参考系看来不一定是同时的。这是由于相对论中的同时性的相对性所导致的，故正确；经典力学在宏观、低速、弱引力的领域是适用的，包括“天问一号”宇宙探测器在火星着陆的情况，故错误；在经典力学中，物体的质量是不随运动状态改变而改变的，这是一个基本的物理概念，故错误。故选：。 【例8】（2024春•城关区校级期中）下列有关相对论时空观和牛顿力学的说法中不正确的是　　 A．相对论没有否定牛顿力学，只是认为牛顿力学是在一定条件下的特殊情形 B．真空中光速在不同的惯性参考系中是不相同的 C．牛顿力学有自身的局限性，不适用于微观领域 D．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 【解答】解：相对论没有否定牛顿力学，只是认为牛顿力学是在一定条件下的特殊情形，故正确；真空中光速在不同的惯性参考系中是相同的，故错误；牛顿力学只适用于宏观、低速运动问题，不适用于微观、高速运动问题，故正确；当物体的运动速度远小于光速时，相对论和牛顿力学的结论没有区别，故正确。本题选不正确的，故选：。 【例9】（2024•齐齐哈尔开学）下列说法中正确的是　　 A．平抛运动即被抛出的物体所做的运动 B．牛顿做了大量的实验，从而发现了万有引力定律 C．做圆周运动的物体，其所受合外力不一定指向轨迹圆的圆心 D．以牛顿运动定律为基础的经典力学是大到宏观宇宙小到分子、原子都普遍适用的基本物理学规律 【解答】解：．平抛运动即被水平抛出，只受重力的物体所做的运动，故错误； ．牛顿通过理论研究，从而发现了万有引力定律，故错误； ．匀速圆周运动，合力始终指向圆心，做变速圆周运动的物体，其所受合外力不指向轨迹圆的圆心，故正确； ．以牛顿运动定律为基础的经典力学是只适用宏观低速，不适用微观高速，故错误故选：。 【例10】（2024春•闵行区期末）关于相对论时空观与牛顿力学的局限性，下列说法中正确的是　　 A．随着物理学的发展，牛顿力学将逐渐成为过时的理论 B．相对论认为真空中的光速在不同的惯性参考系中是不同的 C．牛顿定律不适用于研究中国空间站天和核心舱的高速发射 D．黑洞和量子通信问题不能在牛顿力学的框架下得到很好的解释 【解答】解：在微观、高速运动中，要用量子力学和相对论来解释，但是不会因为量子力学和相对论的出现就会让牛顿力学逐渐成为过时的理论，故错误； 根据狭义相对论的光速不变原理，真空中光速在不同的惯性参考系中是相同的，故错误； 牛顿定律属于经典力学的研究范畴，适用于宏观、低速运动的物体，低速和高速的标准是相对于光速，可判定牛顿定律适用于研究中国空间站天和核心舱的高速发射，故错误； 黑洞和量子通信问题要用量子力学和相对论来解释，不能在牛顿力学的框架下得到很好的解释，故正确。故选：。 第10页 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 重点内容 1 相对论时空观 2 牛顿力学的成就与局限性 相对论时空观 1．19世纪，英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了_电磁波__的存在，并证明电磁波的传播速度等于_光速c__。 2．1887年的迈克耳孙—莫雷实验以及其他一些实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度都是_一样__的。 3．爱因斯坦假设：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是_相同__的；真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是_相同__的。 4．时间延缓效应：完成同一动作，在惯性参考系上的时间间隔Δτ和在地面上的人的时间间隔Δt之间的关系是。由于1－<1，所以总有Δt>Δτ，此种情况称为时间延缓效应。 5．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－<1，所以总有l<l0，此种情况称为长度_收缩效应__。 7． 相对论时空观：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。 (1)绝对时空观对“同时”的认识：在同一个惯性参考系不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察也是同时的； (2)相对论的时空观对“同时”的认识：“同时”具有相对性，即在同一个惯性参考系不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察不一定是同时的。 ~~~~练~习~的~分~割~线~~~~ 【例1】（2025•新蔡县三模）仅考虑狭义相对论效应，在高速飞行的火箭里的时钟走过，理论上站在地面上的观察者手里的时钟走过的时间（　　） A．大于 B．小于 C．等于 D．都有可能 【例2】（2025春•常州期末）设想人类利用飞船以的速度进行星际航行，若飞船向正前方的某星球发射一束激光，则该星球上的观察者测量到激光的速度应该是　　 A． B． C． D． 【例3】（多选）（2025春•仁寿县校级期末）光在真空中的速度为，如果某飞船在以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 B．该星球上的人观测到的光信号的速度为 C．地球上的人观测到的光信号的速度为 D．飞船正后方的某星球上的人观测到的光信号的速度为 【例4】（2024•徐汇区校级开学）在一个高速旋转的巨大转盘上放置三个完全相同的时钟，放在转轴处，放在中间，放在边缘处，如图所示。对于地面上的观察者，根据相对论认为三个时钟的快慢情况，下列说法正确的是　　 A．钟最快，、钟一样慢 B．钟最慢，、钟一样快 C．钟最快，钟最慢 D．钟最慢，钟最快 【例5】（2024•镇海区模拟）如图所示，位于教室中央的光源发出一个闪光，闪光照到了教室的前壁和后壁。教室的长度为。在平行于教室高速运动的太空飞船上的观察者　　 A．测得照到前壁的光速度小于 B．观测到飞船上的时间进程比教室慢 C．测得教室的长度小于 D．观察到光同时到达前、后壁 牛顿力学的成就与局限性 一、经典力学与相对论的区别与联系 1．区别 比较项 经典力学 相对论 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，弱引力作用 任何情况都适用 速度对质 量的影响 物体的质量不随其速度的变化而变化 物体的质量随其速度的增加而增大 速度的合成 时间与空间互不相干 速度与位移、时间的测量有关 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)相对论并没有否定经典力学，经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形。 二、对相对论的理解 1．两个基本原理 (1)相对性原理：所有物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式，表明在任何惯性系中研究某个物体的某一运动过程，其运动规律形式不变。 (2)光速不变原理：在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c都一样，表明了经典时空观与相对论时空观的不同。 ~~~~练~习~的~分~割~线~~~~ 【例6】（2025春•肇庆月考）下列物理情景中，经典的牛顿力学不再适用的是　　 A．“卢水胡”部落中的骑马射箭、挥刀逐鹿 B．“三体”小说中的光速飞船 C．“高鸟黄云暮”中的运动 D．“逐道”训练时，在空中的啦啦操队员 【例7】（2025春•涪城区校级期末）牛顿创立了经典力学，揭示了包括行星在内的宏观物体的运动规律；爱因斯坦进一步发展了经典力学，创立了相对论。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．相对论时空观认为运动的时钟会变快，运动的尺子会变长 B．相对论时空观认为在某参考系中同时发生的两件事，在另一参考系看来不一定是同时的 C．经典力学不能适用于“天问一号”宇宙探测器在火星着陆 D．在经典力学中，物体的质量随运动状态改变而改变 【例8】（2024春•城关区校级期中）下列有关相对论时空观和牛顿力学的说法中不正确的是　　 A．相对论没有否定牛顿力学，只是认为牛顿力学是在一定条件下的特殊情形 B．真空中光速在不同的惯性参考系中是不相同的 C．牛顿力学有自身的局限性，不适用于微观领域 D．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 【例9】（2024•齐齐哈尔开学）下列说法中正确的是　　 A．平抛运动即被抛出的物体所做的运动 B．牛顿做了大量的实验，从而发现了万有引力定律 C．做圆周运动的物体，其所受合外力不一定指向轨迹圆的圆心 D．以牛顿运动定律为基础的经典力学是大到宏观宇宙小到分子、原子都普遍适用的基本物理学规律 【例10】（2024春•闵行区期末）关于相对论时空观与牛顿力学的局限性，下列说法中正确的是　　 A．随着物理学的发展，牛顿力学将逐渐成为过时的理论 B．相对论认为真空中的光速在不同的惯性参考系中是不同的 C．牛顿定律不适用于研究中国空间站天和核心舱的高速发射 D．黑洞和量子通信问题不能在牛顿力学的框架下得到很好的解释 第10页 学科网（北京）股份有限公司 $