(共65张PPT)
5．相对论时空观与牛顿力学的局限性
核 心 素 养 学 习 目 标
物理观念 了解经典力学的发展历程和伟大成就，认识经典力学的局限性和适用范围．
科学思维 知道相对论、量子论有助于人类认识高速、微观领域．
科学探究 探究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．
科学态度
与责任 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．
探究点一 相对论时空观
1．爱因斯坦假设
牛顿运动定律成立的参考系
(1)在不同的惯性参考系中，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．
相同
光速
相同
惯性参考系
>
静止
<
【情境思考】
如图所示，高速运行的列车车厢，车顶上有一个反光镜，列车上一个人对着反光镜照射一束光．
列车上的人和地面上的人观察到的光的往返时间是否相同？
答案：不同．
【教材拓展】 看教材P37“思考与讨论”同学们想一下，如果距离地面6 km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，μ子参考系下观察到离地距离比6 km大还是小？
【思维提升】
1．两个假设的理解
(1)在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的．也就是说，物理学的定律与惯性系的选择无关．
(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的．也就是说，不管光源与观察者的相对运动如何，在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的光速都是相等的．
2．时间延缓效应的理解
(1)对同一物理过程经历的时间，在不同的惯性系中观测，测得的结果不同，时间延缓效应是一种观测效应，不是被测过程的节奏变化了．
(2)惯性系速度越大，地面上的人观测到的时间越长．
(3)由于运动是相对的，故在某一参考系中观测另一参考系中发生的物理事件，总会感到时间延缓效应．即惯性系中的人观测地面上发生的事件的时间也延缓．
3．长度收缩效应的理解
(1)长度收缩效应也是一种观测效应，不是物体本身发生了收缩．
(2)在垂直于运动方向上，物体不会发生收缩效应．
(3)由于运动是相对的，故在某一参考系中观测另一参考系中沿杆方向的长度，总有长度收缩效应．即在静止惯性系中的人观测运动的杆，沿杆运动方向的长度发生收缩．
角度1 光速不变原理
例1 如图所示，考虑几个问题：
(1)如图所示，参考系O′相对于参考系O静止时，人看到的光速应是多少？
(2)参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动，人看到的光速应是多少？
(3)参考系O相对于参考系O′以速度v向左运动，人看到的光速又是多少？
答案：(1)c (2)c (3)c
解析：根据狭义相对论的一个基本假设：光速不变原理，可知光速是不变的，都应是c.
角度2 时间延缓效应
例2 如图所示，有三个完全相同的时钟，时钟A放在地面上，时钟B、C分别放在两个火箭上，两个火箭分别以速度vB和vC朝同一方向飞行，vBA．时钟A走得最慢 B．时钟B走得最慢
C．时钟C走得最慢 D．时钟C走得最快
答案：C
解析：根据相对论的时空观，运动的时钟变慢，其实质是指在相对论中每位观察者都有自身的时间测度，即如果一时钟在天空高速飞驰，对静止不动的观察者来说似乎时钟的时间走得慢了，时钟飞驰得越快，时钟的时间走得越慢．
角度3 长度收缩效应
例3 若一列火车以接近光速的速度在高速行驶，车上的人用望远镜来观察地面上的一只排球，其观察的结果是( )
A．像一只乒乓球(体积变小)
B．像一只篮球(体积变大)
C．像一只橄榄球(竖直放置)
D．像一只橄榄球(水平放置)
答案：C
解析：根据狭义相对论，以观察者为参照系，则排球以接近光速的速度反向运动，由长度收缩效应可知，观察者测得排球水平宽度变短，竖直长度不变，因此观察的结果是像一只竖直放置的橄榄球．故选C.
题后反思
相对于地面以速度v高速运动的物体，从地面上看：
(1)沿着运动方向上的长度变短了，速度越大，变短得越多．
(2)在垂直于运动方向上不发生长度收缩效应现象．
练1 高一阶段性质量检测物理考试时间为75分钟，假定孙悟空竖直握着金箍棒以0.6c(c为真空中的光速)从我们考场外飞过，速度方向与地表平行，如图所示．则孙悟空观察到此次考试时间、你观察到金箍棒的长度分别为( )
A．考试时间大于75分钟，金箍棒的长度变短
B．考试时间大于75分钟，金箍棒的长度不变
C．考试时间小于75分钟，金箍棒的长度变长
D．考试时间也是75分钟，金箍棒的长度变长
答案：B
解析：当孙悟空竖直握着金箍棒以0.6c从我们考场外飞过，速度方向与地表平行，根据爱因斯坦狭义相对论中的时间膨胀的效应，可知孙悟空观察到此次考试时间将大于75分钟；根据爱因斯坦狭义相对论中的尺缩效应，可知考场同学观察到金箍棒变细，但长度不变．故选B.
探究点二 牛顿力学的成就与局限性
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________的规律．
牛顿力学
2．牛顿力学的局限性
(1)牛顿力学不适用于________运动．
(2)物理学研究深入到微观世界，发现了电子、质子、中子等微观粒子，而且发现它们不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用________来说明．
高速
牛顿力学
3．牛顿力学的适用范围 以某种特殊情形被包含在新的理论之中
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．
【情境思考】
如图所示，质子束被加速到接近光速，牛顿力学适用于质子束的运动规律吗？
答案：不适用．
【思维提升】
1．经典力学与相对论的区别
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.经典力学与相对论的联系
(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．
例4 下列说法正确的是( )
A．在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，在狭义相对论中，物体的质量也不随运动状态而改变
B．狭义相对论和经典力学是完全不同、相互矛盾的两个理论
C．物体高速运动时，物体的运动服从狭义相对论，在低速运动时，物体的运动服从牛顿运动定律
D．以上说法都是错误的
答案：C
解析：在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，在狭义相对论中，物体的质量随物体运动速度的增大而增大，A错误；狭义相对论没有否定经典力学，经典力学是狭义相对论在一定条件下的特殊情形，B错误；经典力学适用于低速运动的物体，狭义相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律，C正确．
例5 (多选)牛顿运动定律能适用于下列哪些情形( )
A．研究原子中电子的运动
B．研究“神舟五号”飞船的高速发射
C．研究地球绕太阳的运动
D．研究飞机从北京飞往纽约的航线
答案：BCD
解析：牛顿运动定律只能用于“宏观低速”的情形，这里的“宏观”是相对于微观粒子而言的．这里的“低速”是相对于光速而言的．原子、电子等是微观粒子，它们的运动不服从牛顿运动定律，A错误；B、C、D选项中运动虽然是“高速”，但相对于光速来说，却是微不足道的，完全可以用牛顿运动定律研究其规律，B、C、D正确．
题后反思
正确理解“高速”“微观”
(1)所谓“高速”指的是相对于光速(300 000 km/s)来说，对于一般的物体来说很难达到这个速度，音速和光速相比还属于低速．
(2)所谓“微观”指的是微观粒子(分子级别)的领域，我们通常所说的小颗粒等依然属于宏观领域．
练2 [2024·绵阳市高一期末]关于牛顿力学理论，下述说法中正确的是( )
A．牛顿力学适用于宏观、低速、弱引力场
B．相对论和量子力学证明了牛顿力学是错误和过时的
C．牛顿力学认为时空是相对的
D．牛顿力学可以预言各种尺度下的运动
答案：A
解析：牛顿力学适用于宏观、低速、弱引力场，A正确；相对论和量子力学适用于微观高速粒子的运动，并没有否定牛顿力学，B错误；牛顿力学中，认为时间和空间都是绝对的，C错误；牛顿力学不适用于微观、高速情况下的运动，D错误．
1．如图所示，在未来某年A乘坐速度为0.8c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的B，B的飞行速度为0.6c，A向B发出一束光进行联络，则B观测到该光束的传播速度为( )
A．0.2c B．0.8c
C．1.0c D．1.4c
答案：C
解析：根据爱因斯坦的相对论，在任何参考系中光速不变，即光速不随光源和观察者所在参考系相对运动而改变．所以B观测到该光束的传播速度为1.0c.故选C.
2．属于狭义相对论基本假设的是：在不同的惯性系中( )
A．物体的质量不变
B．时间间隔具有相对性
C．物体的能量与质量成正比
D．物理规律都具有相同的形式
答案：D
解析：相对论中，质量是与运动状态相关的，速度越大，质量越大，故A错误；在狭义相对论中，同时是相对的，所以在不同的惯性系中时间间隔具有相对性，但不属于狭义相对论基本假设，故B错误；根据E＝mc2可知，爱因斯坦质能方程给出了物体的能量与它的质量成正比关系，但不属于狭义相对论基本假设，故C错误；狭义相对论认为，一切惯性参考系中所有的物理规律都具有相同的形式，故D正确．
3．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
答案：A
解析：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，B、C错误；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．
4．如图所示，惯性参考系S有一直径为d的圆形．从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该圆形的图像可能是( )
答案：C
1.(4分)通过学习狭义相对论理论，可知下列说法正确的是( )
A．牛顿力学在任何情况下都适用
B．在不同的惯性参考系中，测得的真空中的光速是不同的
C．在不同的惯性参考系中，一切物理规律的形式都是不同的
D．在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的
答案：D
解析：牛顿力学在宏观低速下才适用，A错误；根据光速不变原理，在任何惯性参考系中，测得的真空中的光速不变，B错误；在惯性参考系中，一切物理规律的形式都是相同的，C错误，D正确．
2．(4分)仅考虑狭义相对论效应，在高速飞行的火箭里的时钟走过10 s，理论上在地面的观测者测得的时间( )
A．大于10 s B．小于10 s
C．等于10 s D．都有可能
答案：A
3．(4分)以下说法正确的是( )
A．物体在恒力作用下不可能做曲线运动
B．万有引力定律只适用于天体之间的相互作用
C．物体在接近光速运动时，仍然遵从牛顿运动定律
D．天文学家根据万有引力公式推算并预测海王星的存在
答案：D
解析：物体做曲线运动的条件是所受合力与初速度方向不在同一直线上，物体在恒力作用下可能做曲线运动，例如平抛运动，故A错误；自然界中任意两个物体之间都存在万有引力作用，万有引力定律既适用于质点间的相互作用力的计算，也适用于均质球体间的相互作用力的计算，故B错误；牛顿运动定律只适用于宏观、低速、弱引力场中的物体，接近光速时不适用，故C错误；天文学家根据万有引力公式推算并预测海王星的存在，故D正确．
4．(4分)如图所示，按照狭义相对论的观点，火箭B是“追赶”光飞行的；火箭A是“迎着”光飞行的．若火箭相对地面的速度均为v，则两火箭上的观察者测出的光速分别为( )
A．c＋v，c－v B．c，c
C．c－v，c＋v D．无法确定
答案：B
解析：根据狭义相对论的观点，光速不变，即光速的大小与观察者的运动无关，所以两火箭上的观察者测出的光速都是c，故选B.
5．(4分)接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相同的铯原子钟，飞船和地球上的人观测这两只钟的快慢，下列说法正确的有( )
A．飞船上的人观测到地球上的钟较慢
B．飞船上的人观测到飞船上的钟较慢
C．观测到两只钟并没有区别
D．地球上的人观测到地球上的钟较慢
答案：A
解析：飞船上的人是以飞船为参考系，故地球是高速运动的，根据爱因斯坦狭义相对论的延时效应，飞船上的人观测到地球上的钟较慢，即飞船上的人观测到飞船上的钟较快，故A正确，B、C错误；地球上的人以地球为参考系，认为飞船高速运动，根据爱因斯坦狭义相对论的延时效应，飞船上的钟较慢，故地球上的人观测到地球上的钟较快，故D错误．
6．(4分)话说有兄弟两个，哥哥乘坐宇宙飞船以接近光速的速度离开地球去遨游太空，经过一段时间返回地球，哥哥惊奇地发现弟弟比自己要苍老许多，则该现象的科学解释是( )
A．哥哥在太空中发生了基因突变，停止生长了
B．弟弟思念哥哥而加速生长
C．由相对论可知，物体速度越大，其时间进程越慢，生理进程也越慢
D．这是神话，科学无法解释
答案：C
7．(4分)一艘太空飞船静止时的长度为30 m，它以0.6c(c为真空中的光速)的速度沿长度方向飞行越过地球，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30 m
B．地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 m
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
答案：B
8．(6分)(多选)[2024·山西太原市高一期末]以下说法正确的是( )
A．经典物理学家认为如果两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中也是同时的
B．对于宏观物体的低速运动问题，量子力学与牛顿力学的结论是一致的
C．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
D．相对论与量子力学否定了牛顿力学理论
答案：AB
解析：经典物理学家认为，如果两个事件在一个参考系中认为是同时的，在另一个参考系中一定也是同时的，而根据爱因斯坦的两个假设，同时是相对的，故A正确；相对论和量子力学的出现，并没有否定牛顿力学，牛顿力学是相对论和量子力学在低速、宏观条件下的特殊情形，故B正确，D错误；牛顿力学只适用于宏观物体的低速运动，故C错误．
答案：D
解析：根据爱因斯坦的光速不变原理可知，即光在真空中沿任何方向传播速度都是c，则观察者在地面上任何地方和在飞船中观测光的速度均为c，故选D.
10．(4分)惯性系S中有一边长为L的立方体，从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上观察该立方体的形状是( )
答案：D
解析：根据相对论效应可知，沿x轴方向立方体边长缩短，沿y轴方向立方体边长不变．故选D.
11.(4分)如图所示，沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C.假想有一列车沿AC方向以接近光速的速度行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上的观测者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是( )
A．同时被照亮 B．A先被照亮
C．C先被照亮 D．无法判断
答案：C
解析：列车上的观测者看到的是由B发出后经过A和C反射的光，由于列车在这段时间内向C运动靠近C，而远离A，所以C的反射光先到达列车上的观测者，看到C先被照亮，故只有C正确．
12．(4分)在一个高速旋转的巨大转盘上放置三个完全相同的时钟，A放在转轴处，B放在中间，C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．A钟最快，B、C钟一样慢
B．A钟最慢，B、C钟一样快
C．A钟最快，C钟最慢
D．A钟最慢，C钟最快
答案：C
13．(4分)如图所示，地面上A、B两处的中点处有一点光源S，甲观察者站在光源旁，乙观察者乘坐速度为v(接近光速)的火箭沿AB方向飞行，两观察者身边各有一个事先在地面校准了的相同的时钟，下列对相关现象的描述中，正确的是( )
A．甲测得的光速为c，乙测得的光速为c－v
B．甲认为飞船中的钟变慢了，乙认为甲身边的钟变快了
C．甲测得的AB间的距离小于乙测得的AB间的距离
D．当光源S发生一次闪光后，甲认为A、B两处同时接收到闪光，乙则认为B先接收到闪光
答案：D
解析：根据爱因斯坦的光速不变原理，可知甲乙在两种不同的参考系里测出的光速都为c，故A错误；根据钟慢效应：运动的钟比静止的钟走得慢，而且，运动速度越快，钟走得越慢，接近光速时，钟就几乎停止了；甲认为飞船中的钟变慢了，乙认为甲身边的钟变慢了，故B错误；根据尺缩效应：在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短，可知甲测得的AB间的距离大于乙测得的AB间的距离，故C错误；当光源S发生一次闪光后，甲认为A、B两处同时接收到闪光，对乙而言，则乙认为B先接收到闪光，故D正确．5．相对论时空观与牛顿力学的局限性
探究点一 相对论时空观
1．爱因斯坦假设
牛顿运动定律成立的参考系
(1)在不同的惯性参考系中，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．
2．时间延缓效应
如果相对于地面以v运动的____________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完成这个动作的时间间隔为Δt，那么两者之间的关系是Δt＝.由于1－()2＜1，所以总有Δt______Δτ，此种情况称为时间延缓效应．时间进程跟物体的运动状态有关
3．长度收缩效应
如果与杆相对__________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－()2＜1，所以总有l________l0，此种情况称为长度收缩效应．
空间距离跟物体的运动状态有关
【情境思考】
如图所示，高速运行的列车车厢，车顶上有一个反光镜，列车上一个人对着反光镜照射一束光．
列车上的人和地面上的人观察到的光的往返时间是否相同？
【教材拓展】 看教材P37“思考与讨论”同学们想一下，如果距离地面6 km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，μ子参考系下观察到离地距离比6 km大还是小？
【思维提升】
1．两个假设的理解
(1)在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的．也就是说，物理学的定律与惯性系的选择无关．
(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的．也就是说，不管光源与观察者的相对运动如何，在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的光速都是相等的．
2．时间延缓效应的理解
(1)对同一物理过程经历的时间，在不同的惯性系中观测，测得的结果不同，时间延缓效应是一种观测效应，不是被测过程的节奏变化了．
(2)惯性系速度越大，地面上的人观测到的时间越长．
(3)由于运动是相对的，故在某一参考系中观测另一参考系中发生的物理事件，总会感到时间延缓效应．即惯性系中的人观测地面上发生的事件的时间也延缓．
3．长度收缩效应的理解
(1)长度收缩效应也是一种观测效应，不是物体本身发生了收缩．
(2)在垂直于运动方向上，物体不会发生收缩效应．
(3)由于运动是相对的，故在某一参考系中观测另一参考系中沿杆方向的长度，总有长度收缩效应．即在静止惯性系中的人观测运动的杆，沿杆运动方向的长度发生收缩．
角度1 光速不变原理
例1 如图所示，考虑几个问题：
(1)如图所示，参考系O′相对于参考系O静止时，人看到的光速应是多少？
(2)参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动，人看到的光速应是多少？
(3)参考系O相对于参考系O′以速度v向左运动，人看到的光速又是多少？
[试答]
角度2 时间延缓效应
例2 如图所示，有三个完全相同的时钟，时钟A放在地面上，时钟B、C分别放在两个火箭上，两个火箭分别以速度vB和vC朝同一方向飞行，vBA．时钟A走得最慢 B．时钟B走得最慢
C．时钟C走得最慢 D．时钟C走得最快
[解题心得]
角度3 长度收缩效应
例3 若一列火车以接近光速的速度在高速行驶，车上的人用望远镜来观察地面上的一只排球，其观察的结果是( )
A．像一只乒乓球(体积变小)
B．像一只篮球(体积变大)
C．像一只橄榄球(竖直放置)
D．像一只橄榄球(水平放置)
[解题心得]
题后反思
相对于地面以速度v高速运动的物体，从地面上看：
(1)沿着运动方向上的长度变短了，速度越大，变短得越多．
(2)在垂直于运动方向上不发生长度收缩效应现象．
练1 高一阶段性质量检测物理考试时间为75分钟，假定孙悟空竖直握着金箍棒以0.6c(c为真空中的光速)从我们考场外飞过，速度方向与地表平行，如图所示．则孙悟空观察到此次考试时间、你观察到金箍棒的长度分别为( )
A．考试时间大于75分钟，金箍棒的长度变短
B．考试时间大于75分钟，金箍棒的长度不变
C．考试时间小于75分钟，金箍棒的长度变长
D．考试时间也是75分钟，金箍棒的长度变长
探究点二 牛顿力学的成就与局限性
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________的规律．
2．牛顿力学的局限性
(1)牛顿力学不适用于________运动．
(2)物理学研究深入到微观世界，发现了电子、质子、中子等微观粒子，而且发现它们不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用________来说明．
3．牛顿力学的适用范围以某种特殊情形被包含在新的理论之中
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．
【情境思考】
如图所示，质子束被加速到接近光速，牛顿力学适用于质子束的运动规律吗？
【思维提升】
1．经典力学与相对论的区别
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.经典力学与相对论的联系
(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．
例4 下列说法正确的是( )
A．在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，在狭义相对论中，物体的质量也不随运动状态而改变
B．狭义相对论和经典力学是完全不同、相互矛盾的两个理论
C．物体高速运动时，物体的运动服从狭义相对论，在低速运动时，物体的运动服从牛顿运动定律
D．以上说法都是错误的
[解题心得]
例5 (多选)牛顿运动定律能适用于下列哪些情形( )
A．研究原子中电子的运动
B．研究“神舟五号”飞船的高速发射
C．研究地球绕太阳的运动
D．研究飞机从北京飞往纽约的航线
[解题心得]
题后反思
正确理解“高速”“微观”
(1)所谓“高速”指的是相对于光速(300 000 km/s)来说，对于一般的物体来说很难达到这个速度，音速和光速相比还属于低速．
(2)所谓“微观”指的是微观粒子(分子级别)的领域，我们通常所说的小颗粒等依然属于宏观领域．
练2 [2024·绵阳市高一期末]关于牛顿力学理论，下述说法中正确的是( )
A．牛顿力学适用于宏观、低速、弱引力场
B．相对论和量子力学证明了牛顿力学是错误和过时的
C．牛顿力学认为时空是相对的
D．牛顿力学可以预言各种尺度下的运动
1．如图所示，在未来某年A乘坐速度为0.8c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的B，B的飞行速度为0.6c，A向B发出一束光进行联络，则B观测到该光束的传播速度为( )
A．0.2c B．0.8c
C．1.0c D．1.4c
2．属于狭义相对论基本假设的是：在不同的惯性系中( )
A．物体的质量不变
B．时间间隔具有相对性
C．物体的能量与质量成正比
D．物理规律都具有相同的形式
3．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
4．如图所示，惯性参考系S有一直径为d的圆形．从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该圆形的图像可能是( )
温馨提示：请完成分层训练素养提升(二十)
5．相对论时空观与牛顿力学的局限性
导学 掌握必备知识 强化关键能力
探究点一
1．(1)相同 (2)光速 相同
2．惯性参考系 >
3．静止 <
情境思考
答案：不同．
教材拓展
答案：根据长度收缩效应l＝l0＜l0，μ子参考系下观察到离地距离应小于6 km.
[例1] 解析：根据狭义相对论的一个基本假设：光速不变原理，可知光速是不变的，都应是c.
答案：(1)c (2)c (3)c
[例2] 解析：根据相对论的时空观，运动的时钟变慢，其实质是指在相对论中每位观察者都有自身的时间测度，即如果一时钟在天空高速飞驰，对静止不动的观察者来说似乎时钟的时间走得慢了，时钟飞驰得越快，时钟的时间走得越慢．
答案：C
[例3] 解析：根据狭义相对论，以观察者为参照系，则排球以接近光速的速度反向运动，由长度收缩效应可知，观察者测得排球水平宽度变短，竖直长度不变，因此观察的结果是像一只竖直放置的橄榄球．故选C.
答案：C
练1 解析：当孙悟空竖直握着金箍棒以0.6c从我们考场外飞过，速度方向与地表平行，根据爱因斯坦狭义相对论中的时间膨胀的效应，可知孙悟空观察到此次考试时间将大于75分钟；根据爱因斯坦狭义相对论中的尺缩效应，可知考场同学观察到金箍棒变细，但长度不变．故选B.
答案：B
探究点二
1．牛顿力学
2．(1)高速 (2)牛顿力学
情境思考
答案：不适用．
[例4] 解析：在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，在狭义相对论中，物体的质量随物体运动速度的增大而增大，A错误；狭义相对论没有否定经典力学，经典力学是狭义相对论在一定条件下的特殊情形，B错误；经典力学适用于低速运动的物体，狭义相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律，C正确．
答案：C
[例5] 解析：牛顿运动定律只能用于“宏观低速”的情形，这里的“宏观”是相对于微观粒子而言的．这里的“低速”是相对于光速而言的．原子、电子等是微观粒子，它们的运动不服从牛顿运动定律，A错误；B、C、D选项中运动虽然是“高速”，但相对于光速来说，却是微不足道的，完全可以用牛顿运动定律研究其规律，B、C、D正确．
答案：BCD
练2 解析：牛顿力学适用于宏观、低速、弱引力场，A正确；相对论和量子力学适用于微观高速粒子的运动，并没有否定牛顿力学，B错误；牛顿力学中，认为时间和空间都是绝对的，C错误；牛顿力学不适用于微观、高速情况下的运动，D错误．
答案：A
导练 随堂检测诊断 落实学科素养
1．解析：根据爱因斯坦的相对论，在任何参考系中光速不变，即光速不随光源和观察者所在参考系相对运动而改变．所以B观测到该光束的传播速度为1.0c.故选C.
答案：C
2．解析：相对论中，质量是与运动状态相关的，速度越大，质量越大，故A错误；在狭义相对论中，同时是相对的，所以在不同的惯性系中时间间隔具有相对性，但不属于狭义相对论基本假设，故B错误；根据E＝mc2可知，爱因斯坦质能方程给出了物体的能量与它的质量成正比关系，但不属于狭义相对论基本假设，故C错误；狭义相对论认为，一切惯性参考系中所有的物理规律都具有相同的形式，故D正确．
答案：D
3．解析：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，B、C错误；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．
答案：A
4．解析：由相对论知识l＝l0得运动方向上的边长变短，垂直运动方向上的边长不变，故选C.
答案：C
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