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7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性
（1）感受牛顿力学在高速世界与事实的矛盾，知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。知道相对论、量子论有助于人类认识高速、微观领域。
（2）知道爱因斯坦狭义相对论的基本假设，知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。
（3）了解宇宙起源的大爆炸理论，知道科学真理是相对的，未知世界必将在人类不懈的探索中被揭开更多的谜底。
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？
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．
（2024 海门区校级学业考试）关于经典力学的适用范围和局限性，下列说法正确的是（ ）
A．经典力学过时了，应该被量子力学所取代
B．由于超音速飞机的速度太大，其运动不能用经典力学来解释
C．人造卫星的运动不适合用经典力学来描述
D．当物体速度接近光速时，其运动规律不适合用经典力学来描述
（2024春 黄浦区校级期末）在1905年爱因斯坦提出了狭义相对论理论，此理论建立的前提有两个假设条件以及在相对论理论下观察到的不同现象，如果有接近光速运动下的物体时间和空间都会发生相应的变化，下列说法中正确的是（ ）
A．在不同的惯性参考系中，一切物体的规律是不同的
B．真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的
C．物体在接近光速运动时，它沿运动方向上的长度会变大
D．狭义相对论只适用于高速运动的物体，不适用于低速运动的物体
（2024春 佛山期末）关于牛顿力学与相对论，以下说法正确的是（ ）
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．真空中的光速大小在不同的惯性参考系中都是相同的
C．牛顿力学在微观领域物质结构中不适用，因此带电粒子在电场中的运动不满足牛顿运动定律
D．对于地面上静止不动的物体，在不同参考系中测得该物体的长度都是一样的
（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10m。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c
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10m
D．观察到光同时到达前、后壁
（2024春 绵阳期末）以高速列车为例，假定车厢安装着一个墨水罐，它每隔一定时间滴出一滴墨水，车上的人测得，墨水在t1′、t2′两个时刻在地面形成P、Q两个墨点，也就是说发生了两个事件，车上的人认为两个事件的时间间隔是Δτ＝t2′﹣t1′，地面观察者测得的时间间隔为Δt＝t2﹣t1，则Δτ与Δt的关系是（ ）
A．Δτ＞Δt B．Δτ＜Δt C．Δτ＝Δt D．无法确定
（2024春 河西区期中）下列物理情景中，经典的牛顿力学不再适用的是（ ）
A．电子以接近光的速度运动
B．射击场上，从枪膛射出的子弹
C．在武汉大学校园观赏樱花的游客
D．体育课上，被小明同学抛出的篮球
（2024 海门区校级二模）如图所示，一同学在教室上课，教室的长度为9m，教室中间位置有一光源．有一飞行器从前向后高速通过教室外侧，已知光速为c，飞行器中的飞行员认为（ ）
A．教室中的时钟变快
B．教室的长度大于9m
C．从光源发出的光先到达教室后壁
D．光源发出的光，向后的速度小于c
（2023春 涪城区校级期末）如图所示，你站在水平木杆AB的中央附近，并且看到木杆落在地面上时是两端同时着地的；若此时飞飞同学正以接近光速的速度从木杆前面掠过，则（ ）
A．飞飞同学看到木杆的B端比A端先落地
B．飞飞同学看到木杆的A端比B端先落地
C．飞飞同学看到木杆的两端同时落地
D．飞飞同学看到的木杆长度比你看到的木杆长度更长
（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
（2023春 番禺区期末）根据爱因斯坦提出的相对论，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．物体的质量取决于物体所含物质的多少，质量与速度大小无关
C．一个真实的物体，其运动速度有可能达到甚至超过真空中的光速
D．质量、长度、时间的测量结果都与观测者的相对运动状态有关
（2023春 东莞市期末）爱因斯坦于1905年在德国《物理年鉴》发表了论文《论动体的电动力学》，论文首次提出狭义相对论。假设一艘太空飞船静止时的长度为30m，它以0.6c（c为光速）的速度沿长度方向飞行越过地球，根据狭义相对论，下列说法正确的是（ ）
A．飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30m
B．地球上的观测者测得该飞船的长度小于30m
C．飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于c
D．地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c
（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
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7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性
（1）感受牛顿力学在高速世界与事实的矛盾，知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。知道相对论、量子论有助于人类认识高速、微观领域。
（2）知道爱因斯坦狭义相对论的基本假设，知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。
（3）了解宇宙起源的大爆炸理论，知道科学真理是相对的，未知世界必将在人类不懈的探索中被揭开更多的谜底。
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？
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．
（2024 海门区校级学业考试）关于经典力学的适用范围和局限性，下列说法正确的是（ ）
A．经典力学过时了，应该被量子力学所取代
B．由于超音速飞机的速度太大，其运动不能用经典力学来解释
C．人造卫星的运动不适合用经典力学来描述
D．当物体速度接近光速时，其运动规律不适合用经典力学来描述
【解答】解：A、经典力学不会过时，在低速宏观物理过程中适用，不可替代。故A错误；
B、超音速飞机的速度远低于光速，其运动能用经典力学来解释。故B错误；
C、人造卫星的运动速度远低于光速，适合用经典力学来描述。故C错误；
D、当物体速度接近光速时，其运动规律不适合用经典力学来描述。故D正确；
故选：D。
（2024春 黄浦区校级期末）在1905年爱因斯坦提出了狭义相对论理论，此理论建立的前提有两个假设条件以及在相对论理论下观察到的不同现象，如果有接近光速运动下的物体时间和空间都会发生相应的变化，下列说法中正确的是（ ）
A．在不同的惯性参考系中，一切物体的规律是不同的
B．真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的
C．物体在接近光速运动时，它沿运动方向上的长度会变大
D．狭义相对论只适用于高速运动的物体，不适用于低速运动的物体
【解答】解：A、根据相对论的两个基本假设可知，在不同的惯性参考系中，一切物体的规律是相同的，故A错误；
B、根据相对论的两个基本假设可知，在不同的惯性参考系中真空中的光速是相同的，故B正确；
C、根据长度的相对性关系：L，可知一个沿自身长度方向运动的物体，其长度总比物体静止时的长度小，故C错误；
D、低速运动时，只是高速运动的特殊情况，故相对论在低速运动时仍适用。
故选：B。
（2024春 佛山期末）关于牛顿力学与相对论，以下说法正确的是（ ）
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．真空中的光速大小在不同的惯性参考系中都是相同的
C．牛顿力学在微观领域物质结构中不适用，因此带电粒子在电场中的运动不满足牛顿运动定律
D．对于地面上静止不动的物体，在不同参考系中测得该物体的长度都是一样的
【解答】解：A.牛顿力学适用于低速宏观物体，不适用于微观或高速情况，故A错误；
B.相对论指出，真空中光速在所有惯性参考系中恒定，故B正确；
C.牛顿力学在微观领域物质结构中不适用，但带电粒子在电场中的运动仍满足牛顿运动定律，故C错误；
D.根据相对论的尺缩效应可知：对于地面上静止不动的物体，在不同参考系中测得该物体的长度不一样的，故D错误.
故选：B。
（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10m。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c
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10m
D．观察到光同时到达前、后壁
【解答】解：AD．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c，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AD错误；
BC．根据爱因斯坦的时间相对论公式Δt，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l，l＝l0教室的长度变短小于10m，故B错误，C正确。
故选：C。
（2024春 绵阳期末）以高速列车为例，假定车厢安装着一个墨水罐，它每隔一定时间滴出一滴墨水，车上的人测得，墨水在t1′、t2′两个时刻在地面形成P、Q两个墨点，也就是说发生了两个事件，车上的人认为两个事件的时间间隔是Δτ＝t2′﹣t1′，地面观察者测得的时间间隔为Δt＝t2﹣t1，则Δτ与Δt的关系是（ ）
A．Δτ＞Δt B．Δτ＜Δt C．Δτ＝Δt D．无法确定
【解答】解：根据时间的相对性Δt
且
所以Δt＞Δτ
故B正确，ACD错误。
故选：B。
（2024春 河西区期中）下列物理情景中，经典的牛顿力学不再适用的是（ ）
A．电子以接近光的速度运动
B．射击场上，从枪膛射出的子弹
C．在武汉大学校园观赏樱花的游客
D．体育课上，被小明同学抛出的篮球
【解答】解：经典的牛顿力学适用于宏观、低速（远小于光速）运动的物体，由此可知，射击场上从枪膛射出的子弹、在武汉大学校园观赏樱花的游客、体育课上被小明同学抛出的篮球，经典的牛顿力学均可以适用，电子以接近光的速度运动，电子属于微观粒子且速度接近光速，经典的牛顿力学不再适用，故A正确，BCD错误。
故选：A。
（2024 海门区校级二模）如图所示，一同学在教室上课，教室的长度为9m，教室中间位置有一光源．有一飞行器从前向后高速通过教室外侧，已知光速为c，飞行器中的飞行员认为（ ）
A．教室中的时钟变快
B．教室的长度大于9m
C．从光源发出的光先到达教室后壁
D．光源发出的光，向后的速度小于c
【解答】解：AB、根据爱因斯坦的相对论，可知飞行器中的飞行员认为看到教室中的时钟变慢，教室的长度变短，即长度小于9m，故AB错误；
C、教室中的人认为，光向前向后传播的速度相等，光源在教室中央，光同时到达前后两壁，飞行器中的飞行员是一个惯性系，光向前向后传播的速度相等，向后壁传播的路程短些，到达后壁的时刻早些，故C正确；
D、根据光速不变理论，无论光源与观察者之间做怎样的相对运动，光速都是一样的，故D错误；
故选：C。
（2023春 涪城区校级期末）如图所示，你站在水平木杆AB的中央附近，并且看到木杆落在地面上时是两端同时着地的；若此时飞飞同学正以接近光速的速度从木杆前面掠过，则（ ）
A．飞飞同学看到木杆的B端比A端先落地
B．飞飞同学看到木杆的A端比B端先落地
C．飞飞同学看到木杆的两端同时落地
D．飞飞同学看到的木杆长度比你看到的木杆长度更长
【解答】解：ABC.当飞飞同学掠过木杆时，在她看来，木杆不仅在下落，而且木杆的B端还在朝她运动，因此，在你看来同时发生的两个事件，在飞飞同学看来首先在B端发生，故飞飞同学看到木杆的B端比A端先落地，故A正确，BC错误；
D.根据尺缩效应可知，飞飞同学看到的木杆长度比你看到的木杆长度更短，故D错误。
故选：A。
（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。
（2023春 番禺区期末）根据爱因斯坦提出的相对论，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．物体的质量取决于物体所含物质的多少，质量与速度大小无关
C．一个真实的物体，其运动速度有可能达到甚至超过真空中的光速
D．质量、长度、时间的测量结果都与观测者的相对运动状态有关
【解答】解：A、经典力学只适用于宏观、低速运动的物体，对微观粒子不适用，故A错误；
B、根据相对论理论可知，物体的速度越大，质量越大，故B错误；
C、根据相对论理论可知，真空中的光速是速度的极限，一个真实的物体，其运动速度不可能达到甚至超过真空中的光速，故C错误；
D、根据爱因斯坦的相对论可知，质量、长度、时间的测量结果都是相对的，它们的测量结果都是随物体与观测者的相对运动状态而改变，故D正确。
故选：D。
（2023春 东莞市期末）爱因斯坦于1905年在德国《物理年鉴》发表了论文《论动体的电动力学》，论文首次提出狭义相对论。假设一艘太空飞船静止时的长度为30m，它以0.6c（c为光速）的速度沿长度方向飞行越过地球，根据狭义相对论，下列说法正确的是（ ）
A．飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30m
B．地球上的观测者测得该飞船的长度小于30m
C．飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于c
D．地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c
【解答】解：A、飞船上的观测者相对于飞船是静止的，所以飞船上的观测者测得该飞船的长度是静止时的长度，为30m，故A错误；
B、飞船以0.6c的速度沿长度方向飞行越过地球，根据相对论尺缩效应分析可知地球上的观测者测得该飞船的长度小于30m，故B正确；
CD、根据狭义相对论的光速不变原理，飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度等于c，地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度也等于c，故CD错误；
故选：B。
（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。
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