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

第七章 万有引力与宇宙航行 7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性（解析版） 学习目标 1.知道爱因斯坦的两个假设的内容(重点)。 2.知道时间延缓效应及长度收缩效应结论的内容(重难点)。 3.认识经典力学的局限性和适用范围。 4.了解相对论、量子力学和经典力学的关系。 课堂学习 一 相对论时空观 【导入】 在一艘以0.2c速度飞行的飞船里，向正前方的一颗星球发射一束光，则在星球上的人观测到的光速是多大？ 光速还是c，这就是光速不变。 【知识梳理】 1.19世纪，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！这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符。 3.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。 4.相对论时空观 (1)时间延缓效应 ①如果相对于地面以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，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=。 ②Δt与Δτ的关系总有Δt>Δτ(选填“>”“<”或“=”)，即物理过程的快慢(时间进程)跟物体的运动状态有关(选填“有关”或“无关”)。 (2)长度收缩效应 ①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。 ②l与l0的关系总有l<l0(选填“>”“<”或“=”)，即运动物体的长度(空间距离)跟物体的运动状态有关(选填“有关”或“无关”)。 【例题分析】 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（   ）例1 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。 二 牛顿力学的成就与局限性 【知识梳理】 1.牛顿力学的成就 (1)把天体的运动与地面上物体的运动统一起来，实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。 (2)在宏观、低速、弱引力的广阔区域，包括天体力学的研究中，经受了实践检验，取得了巨大成就。 (3)将“实验和数学”相结合的方法推广到物理学的各个分支，形成了完整的经典力学体系。 2.牛顿力学的局限性 (1)物体在以接近光速运动时所遵从的规律，有些是与牛顿力学的结论并不相同的。 (2)在微观世界中(尺度在10-10 m以下)，由于物质的存在和运动形式(波粒二象性)较宏观世界，有较大的不同，牛顿力学也不适用。 3.牛顿力学的适用范围 牛顿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；只适用于弱引力情况，不适用于强引力情况。 4.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。 思考与讨论1： 相对论和量子力学是不是否定了牛顿力学？ 说说你的看法。 不是。当物体的运动速度远小于光速时，相对论与牛顿力学的结论没有区别；当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。牛顿力学没有被否定，而是作为某些条件下的特殊情形，被包括在新的科学成就之中。 【例题分析】 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（　　）例2 A．相对论时空观认为在某参考系中同时发生的两件事，在另一参考系看来也一定是同时的 B．在经典力学中，物体的质量不随运动状态改变而改变 C．相对论时空观认为运动的时钟会变快，运动的尺子会变长 D．相对论和量子力学证明了牛顿力学是错误和过时的 【答案】B 【详解】A．相对论强调同时的相对性，故A错误； B．经典力学中质量恒定，故B正确； C．根据相对论，运动的时钟会变慢（时间膨胀），沿运动方向的尺子会变短（长度收缩），故C错误； D．牛顿力学未被完全推翻，而是适用范围受限，故D错误； 故选B。 课堂总结 课后训练 夯实基础 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。 2．平直轨道上，一列火车对地速度为，火车上一激光源发出一束激光，设光速为，则地面上观察者测得激光的速度为（　　） A． B． C． D． 【答案】A 【详解】根据狭义相对论的光速不变原理，真空中的光速在所有惯性参考系中都是恒定值，与光源或观察者的运动状态无关。因此，无论火车速度如何，地面观察者测得的光速仍为。 故选A。 3．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。 4．1905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。 5.2025年4月10日，北京天文馆举办特别线下课，主题为“广义相对论下的光线偏折”。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，一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度长 B．相对论时空观认为，运动的钟比静止的钟走得快，且运动速度越大，钟走的越快 C．经典力学能很好地描述微观粒子的运动规律，研究地球绕太阳公转时就不适用了 D．经典时空观认为，时间间隔、空间距离以及物体的质量都是绝对不变的 【答案】D 【详解】A．相对论时空观认为，一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度短，故A错误； B．相对论时空观认为，运动的钟比静止的钟走得慢，且运动速度越大，钟走的越慢，故B错误； C．经典力学适用于宏观、低速的物体，不适用于微观、高速的物体，因此经典力学不能很好地描述微观粒子的运动规律，但可以很好地研究地球绕太阳公转的运动情况，故C错误； D．经典时空观认为，时间间隔、空间距离以及物体的质量都是绝对不变的，与运动状态无关，故D正确。 故选D。 学科网（北京）股份有限公司 $ 第七章 万有引力与宇宙航行 7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性（原卷版） 学习目标 1.知道爱因斯坦的两个假设的内容(重点)。 2.知道时间延缓效应及长度收缩效应结论的内容(重难点)。 3.认识经典力学的局限性和适用范围。 4.了解相对论、量子力学和经典力学的关系。 课堂学习 一 相对论时空观 【导入】 在一艘以0.2c速度飞行的飞船里，向正前方的一颗星球发射一束光，则在星球上的人观测到的光速是多大？ 【知识梳理】 1.19世纪，物理学家 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 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 ！这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系 。 3.爱因斯坦假设 (1)在不同的 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。 4.相对论时空观 (1)时间延缓效应 ①如果相对于地面以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，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=。 ②Δt与Δτ的关系总有Δt>Δτ(选填“>”“<”或“=”)，即物理过程的快慢(时间进程)跟物体的运动状态 (选填“有关”或“无关”)。 (2)长度收缩效应 ①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= 。 ②l与l0的关系总有l l0(选填“>”“<”或“=”)，即运动物体的长度(空间距离)跟物体的运动状态 (选填“有关”或“无关”)。 【例题分析】 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（   ）例1 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 二 牛顿力学的成就与局限性 【知识梳理】 1.牛顿力学的成就 (1)把天体的运动与地面上物体的运动统一起来，实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。 (2)在宏观、低速、弱引力的广阔区域，包括天体力学的研究中，经受了实践检验，取得了巨大成就。 (3)将“实验和数学”相结合的方法推广到物理学的各个分支，形成了完整的经典力学体系。 2.牛顿力学的局限性 (1)物体在以接近光速运动时所遵从的规律，有些是与牛顿力学的结论并不相同的。 (2)在微观世界中(尺度在10-10 m以下)，由于物质的存在和运动形式(波粒二象性)较宏观世界，有较大的不同，牛顿力学也不适用。 3.牛顿力学的适用范围 牛顿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；只适用于弱引力情况，不适用于强引力情况。 4.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。 思考与讨论1： 相对论和量子力学是不是否定了牛顿力学？ 说说你的看法。 【例题分析】 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（　　）例2 A．相对论时空观认为在某参考系中同时发生的两件事，在另一参考系看来也一定是同时的 B．在经典力学中，物体的质量不随运动状态改变而改变 C．相对论时空观认为运动的时钟会变快，运动的尺子会变长 D．相对论和量子力学证明了牛顿力学是错误和过时的 课堂总结 课后训练 夯实基础 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 2．平直轨道上，一列火车对地速度为，火车上一激光源发出一束激光，设光速为，则地面上观察者测得激光的速度为（　　） A． B． C． D． 3．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 4．1905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 5.2025年4月10日，北京天文馆举办特别线下课，主题为“广义相对论下的光线偏折”。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，一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度长 B．相对论时空观认为，运动的钟比静止的钟走得快，且运动速度越大，钟走的越快 C．经典力学能很好地描述微观粒子的运动规律，研究地球绕太阳公转时就不适用了 D．经典时空观认为，时间间隔、空间距离以及物体的质量都是绝对不变的 学科网（北京）股份有限公司 $