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7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性
学习目标 核心素养
1.了解相对论时空观，知道时间延缓效应和长度收缩效应. 2.认识牛顿力学的成就、适用范围及局限性. 3.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． 1、物理观念：相对论时空观。 2、科学思维：时间延缓效应，长度收缩效应。 3、科学探究：爱因斯坦的假设。 4、科学态度与责任：牛顿力学的成就与局限性。
知识点1 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Δt＝.
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l6．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．
知识点2 牛顿力学的成就与局限性
1．电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明，而量子力学能够正确地描述微观粒子的运动规律．
2．经典力学的适用范围：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．
（2023 南通开学）如图所示，假设一列火车沿水平轨道接近光速匀速行驶，车厢正中央的光源S发出了一个闪光，车上的人甲和车旁边的人乙进行观察，则（ ）
A．甲认为闪光先到达车厢的后壁
B．甲认为闪光先到达车厢的前壁
C．乙认为闪光先到达车厢的后壁
D．乙认为闪光先到达车厢的前壁
【解答】解：AB.车厢中的人认为，车厢是个惯性系，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；故AB错误；
CD.地面上的人以地面为参考系，光向前向后传播的速度相等，向前传播的路程长些，向后传播的路程短，所以乙认为闪光先到达车厢的后壁，故C正确，D错误。
故选：C。
（2022春 青浦区校级期末）中国人已于2021年发射了自己的空间站，以此为平台可以进行很多科学实验。若沿运动方向向前发出一束激光，设真空中的光速为c，空间站对地速度为v，则地面上观察者测得的光速为（ ）
A．c﹣v B．c C．c+v D．无法确定
【解答】解：光速不变原理认为：在不同的惯性参考系中，真空中的光速是相同的，即光在真空中沿任何方向的传播速度都是相同的。故B正确，ACD错误；
故选：B。
（2022春 河西区校级月考）宇宙飞船以速度v相对地面作匀速直线飞行。某一时刻，飞船头部的宇航员向飞船尾部发出一光讯号，光速为c，经Δt（飞船上的钟测量）时间后，被尾部接收器收到。由此可知飞船固有长度为（ ）
A．cΔt B．vΔt C． D．
【解答】解：根据光速不变原理，知光以光速c传播，在飞船参考系中，可得飞船的固有长度L0＝cΔt，故A正确，BCD错误；
故选：A。
（2022春 长沙期中）500米口径的中国天眼（FAST）是世界上已建成的最大的射电望远镜，可监测脉冲星，探测引力波的存在。而引力波是实验验证爱因斯坦相对论的最后一块“拼图”。关于牛顿力学、相对论和量子力学，下列说法正确的是（ ）
A．不论是宏观物体，还是微观粒子，牛顿力学都是适用的
B．由于相对论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值
C．高速运动的μ子寿命变长的现象，既能用相对论时空观解释，又能用经典理论解释
D．牛顿力学适用于研究宏观物体的低速运动
【解答】解：AD、牛顿力学适用于低速、宏观的情形，不适用于微观粒子和高速情形，故A错误，D正确；
B、生活中大多都属于牛顿力学应用的范围，其价值是无可替代的，所以经典力学具有一定的局限性，但并不是完全没有了使用价值，故B错误；
C、经典理论无法解释高速运动的μ子寿命变长的现象，只能用相对论时空观解释，故C错误。
故选：D。
（多选）（2023春 西城区校级期末）μ子是自然界的基本粒子之一，它平均寿命很短容易发生衰变。科学家发现μ子以0.99c甚至更高的速度飞向地球，根据经典理论计算出每秒到达地球的μ子数小于实际观察到的μ子数。这一现象与经典理论产生了矛盾，用相对论时空观可以得到很好的解释，这也成为相对论时空观的最早证据。
相对论时空观认为：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完成这个动作的时间间隔为Δt，那么两者之间的关系是
已知μ子低速运动时的平均寿命是3.0μs。下列说法正确的是（ ）
A．当μ子以0.99c飞行，选择此μ子作为参考系，则μ子的平均寿命大于3.0μs
B．当μ子以0.99c飞行，以地面为参考系，则μ子的平均寿命大于3.0μs
C．对地面上的观测者来说，μ子平均飞行的距离大约为900m
D．对地面上的观测者来说，μ子平均飞行的距离大约为6300m
【解答】解：A、当μ子以0.99c飞行，选择此μ子作为参考系，由狭义相对论可知，则μ子的平均寿命不变，故A错误；
B、当μ子以0.99c飞行，以地面为参考系，Δτ＝3.0μs，由狭义相对论，由于，可知μ子的平均寿命大于3.0μs，故B正确；
CD、对地面上的观测者来说，由可得
则有
s＝0.99×3.0×108×21.28×10﹣6m≈6320m，故C错误，D正确。
故选：BD。
（2022秋 无锡期中）离开地面6km高空存在某μ子源，产生的μ子以0.99c（c为真空中光速）飞向地面。已知μ子的静止寿命为3.0×10﹣6s。地面能收到该源的μ子，则（ ）
A．高速μ子的寿命大于3.0×10﹣6s
B．高速μ子的寿命等于3.0×10﹣6s
C．μ子参考系下观察到离地距离大于6km
D．μ子参考系下观察到离地距离等于6km
【解答】解：AB、根据钟慢效应可得：
t
由此可知，高速μ子的寿命大于3.0×10﹣6s，故A正确，B错误；
CD、根据尺缩效应，则
由此可知，μ子参考系下观察到离地距离小于6km，故CD错误；
故选：A。
（2022春 肥西县校级期中）关于牛顿力学，下列说法正确的是（ ）
A．牛顿力学无法解决微观物体的运动问题
B．在不同的参考系中光的传播速度都相同，这与牛顿力学规律相符
C．物体在以接近光速运动时所遵从的规律是与牛顿力学相符的
D．牛顿力学既适用于宏观、低速运动问题，又能用于高速运动问题
【解答】解：AD、牛顿力学的适用范围是宏观低速的运动问题，对于微观高速物体的运动无法解决，故A正确，D错误；
B、在不同的参考系中光的传播速度都相同，这与牛顿力学规律不相符，牛顿认为同一物体取不同的参考系，物体的运动的是不同的，故B错误；
C、物体在以接近光速运动时所遵从的规律是与爱因斯坦相对论符合的，与牛顿定律不符，故C错误；
故选：A。
（2022春 长宁区校级期末）2016年科学家首次宣布探测到引力波，引力波的发现成为以下哪个理论的实验证据（ ）
A．牛顿运动定律 B．万有引力定律
C．狭义相对论 D．广义相对论
【解答】解：在物理学中，引力波是通过波的形式从辐射源向外传播，这种波以引力辐射的形式传输能量。引力波的发现验证了爱因斯坦的广义相对论。故ABC错误，D正确。
故选：D。
（2022 南京模拟）下列关于狭义相对论的两个基本假设的说法中正确的是（ ）
A．爱因斯坦相对性原理是狭义相对论的两个基本假设之一
B．质量增大是狭义相对论的两个基本假设之一
C．时间延缓是狭义相对论的两个基本假设之一
D．长度缩短是狭义相对论的两个基本假设之一
【解答】解：A．狭义相对论的两个基本假设是爱因斯坦相对性原理和光速不变原理，故A正确；
BCD．相对论中不包括长度缩短、时间延缓和质量增大，是狭义相对论的推论，故BCD错误。
故选：A。
（2022秋 如皋市月考）如图所示，一列火车以速度v相对地面运动。如果地面上的人测得某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁后壁，那么按照火车上人的测量，闪光（ ）
A．先到达前壁 B．先到达后壁
C．同时到达前后壁 D．无法确定
【解答】解：地面上的人以地面为参考系，光向前向后传播的速度相等，某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁，向前传播的路程与向后传播的路程相同，由于火车向前运动，所以点光源的到火车的前面的距离小；车厢中的人认为，车厢是个惯性系，光向前向后传播的速度相等，点光源到火车前面的距离小，闪光先到达前壁，故BCD错误、A正确。
故选：A。
（2022春 嘉定区校级期末）下列说法不符合相对论的观点的是（ ）
A．时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变
B．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小
C．相对论认为时间和空间与物体的运动状态有关
D．当物体运动的速度v远小于c时，“长度收缩”和“时间膨胀”效果可忽略不计
【解答】解：A、时间和空间都是相对的，没有绝对准确的时间和空间，故A错误；
B、由
可知l＜l0，故B正确；
C、狭义相对论的内容是时间和空间都与物质的运动有关，随着物质运动速度的变化而变化，故C正确；
D、由尺缩效应和钟慢效应公式可知，当v远小于c时，尺缩效应和钟慢效应都可忽略不计，故D正确；
本题选错误的，故选：A。
（2022春 杨浦区校级期末）如图所示，a、b、c为三个完全相同的时钟，a放在水平地面上，b、c分别放在以速度vb、vc向同一方向飞行的两枚火箭上，且vb大于vc，则地面上的观察者认为走得最慢的钟为（ ）
A．a B．b C．c D．无法确定
【解答】解：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放在地面上，在地面上的人看来，a钟没有变化。
b、c两钟放在两个火箭上，根据爱因斯坦相对论可知，b、c变慢，由于vb＞vc，b钟比c钟更慢，所以a钟最快，b钟最慢，故ACD错误，B正确。
故选：B。
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7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性
学习目标 核心素养
1.了解相对论时空观，知道时间延缓效应和长度收缩效应. 2.认识牛顿力学的成就、适用范围及局限性. 3.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． 1、物理观念：相对论时空观。 2、科学思维：时间延缓效应，长度收缩效应。 3、科学探究：爱因斯坦的假设。 4、科学态度与责任：牛顿力学的成就与局限性。
知识点1 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Δt＝.
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l6．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．
知识点2 牛顿力学的成就与局限性
1．电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明，而量子力学能够正确地描述微观粒子的运动规律．
2．经典力学的适用范围：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．
（2023 南通开学）如图所示，假设一列火车沿水平轨道接近光速匀速行驶，车厢正中央的光源S发出了一个闪光，车上的人甲和车旁边的人乙进行观察，则（ ）
A．甲认为闪光先到达车厢的后壁
B．甲认为闪光先到达车厢的前壁
C．乙认为闪光先到达车厢的后壁
D．乙认为闪光先到达车厢的前壁
（2022春 青浦区校级期末）中国人已于2021年发射了自己的空间站，以此为平台可以进行很多科学实验。若沿运动方向向前发出一束激光，设真空中的光速为c，空间站对地速度为v，则地面上观察者测得的光速为（ ）
A．c﹣v B．c C．c+v D．无法确定
（2022春 河西区校级月考）宇宙飞船以速度v相对地面作匀速直线飞行。某一时刻，飞船头部的宇航员向飞船尾部发出一光讯号，光速为c，经Δt（飞船上的钟测量）时间后，被尾部接收器收到。由此可知飞船固有长度为（ ）
A．cΔt B．vΔt C． D．
（2022春 长沙期中）500米口径的中国天眼（FAST）是世界上已建成的最大的射电望远镜，可监测脉冲星，探测引力波的存在。而引力波是实验验证爱因斯坦相对论的最后一块“拼图”。关于牛顿力学、相对论和量子力学，下列说法正确的是（ ）
A．不论是宏观物体，还是微观粒子，牛顿力学都是适用的
B．由于相对论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值
C．高速运动的μ子寿命变长的现象，既能用相对论时空观解释，又能用经典理论解释
D．牛顿力学适用于研究宏观物体的低速运动
（多选）（2023春 西城区校级期末）μ子是自然界的基本粒子之一，它平均寿命很短容易发生衰变。科学家发现μ子以0.99c甚至更高的速度飞向地球，根据经典理论计算出每秒到达地球的μ子数小于实际观察到的μ子数。这一现象与经典理论产生了矛盾，用相对论时空观可以得到很好的解释，这也成为相对论时空观的最早证据。
相对论时空观认为：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完成这个动作的时间间隔为Δt，那么两者之间的关系是
已知μ子低速运动时的平均寿命是3.0μs。下列说法正确的是（ ）
A．当μ子以0.99c飞行，选择此μ子作为参考系，则μ子的平均寿命大于3.0μs
B．当μ子以0.99c飞行，以地面为参考系，则μ子的平均寿命大于3.0μs
C．对地面上的观测者来说，μ子平均飞行的距离大约为900m
D．对地面上的观测者来说，μ子平均飞行的距离大约为6300m
（2022秋 无锡期中）离开地面6km高空存在某μ子源，产生的μ子以0.99c（c为真空中光速）飞向地面。已知μ子的静止寿命为3.0×10﹣6s。地面能收到该源的μ子，则（ ）
A．高速μ子的寿命大于3.0×10﹣6s
B．高速μ子的寿命等于3.0×10﹣6s
C．μ子参考系下观察到离地距离大于6km
D．μ子参考系下观察到离地距离等于6km
（2022春 肥西县校级期中）关于牛顿力学，下列说法正确的是（ ）
A．牛顿力学无法解决微观物体的运动问题
B．在不同的参考系中光的传播速度都相同，这与牛顿力学规律相符
C．物体在以接近光速运动时所遵从的规律是与牛顿力学相符的
D．牛顿力学既适用于宏观、低速运动问题，又能用于高速运动问题
（2022春 长宁区校级期末）2016年科学家首次宣布探测到引力波，引力波的发现成为以下哪个理论的实验证据（ ）
A．牛顿运动定律 B．万有引力定律
C．狭义相对论 D．广义相对论
（2022 南京模拟）下列关于狭义相对论的两个基本假设的说法中正确的是（ ）
A．爱因斯坦相对性原理是狭义相对论的两个基本假设之一
B．质量增大是狭义相对论的两个基本假设之一
C．时间延缓是狭义相对论的两个基本假设之一
D．长度缩短是狭义相对论的两个基本假设之一
（2022秋 如皋市月考）如图所示，一列火车以速度v相对地面运动。如果地面上的人测得某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁后壁，那么按照火车上人的测量，闪光（ ）
A．先到达前壁 B．先到达后壁
C．同时到达前后壁 D．无法确定
（2022春 嘉定区校级期末）下列说法不符合相对论的观点的是（ ）
A．时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变
B．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小
C．相对论认为时间和空间与物体的运动状态有关
D．当物体运动的速度v远小于c时，“长度收缩”和“时间膨胀”效果可忽略不计
（2022春 杨浦区校级期末）如图所示，a、b、c为三个完全相同的时钟，a放在水平地面上，b、c分别放在以速度vb、vc向同一方向飞行的两枚火箭上，且vb大于vc，则地面上的观察者认为走得最慢的钟为（ ）
A．a B．b C．c D．无法确定
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