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5 相对论时空观与牛顿力学的局限性
学习任务一 相对论时空观
学习任务二 牛顿力学的成就与局限性
随堂巩固
备用习题
学习任务一 相对论时空观
［教材链接］ 阅读教材，完成下列填空：
(1) 牛顿力学时空观(绝对时空观)
① 时间与空间都是独立于物体及其运动而______的.
② 速度合成：若河水以相对于岸的速度流动，河中的船以相对于水的速度顺流而下，则船相对于岸的速度为__________________.
存在
(2) 相对论时空观
① 爱因斯坦两个假设
假设1：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是______的.
假设2：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是______的.
相同
相同
② 相对论的两个效应结论
结论1：时间延缓效应：如果相对于地面以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 ，地面上的人观察到该物体完成这个动作的时间间隔为，那么两者之间的关系是_ ____________，由于，所以总有
___________.
结论2：长度收缩效应： 如果与杆相对静止的人测得杆长是，沿着杆的方向，以相对杆运动的人测得杆长是，那么两者之间的关系是_ _______________，由于,所以总有______.
(3) 实验结论：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______的.
一样
［物理观念］ 地球绕太阳公转的速度约为，设在美国伊利诺伊州费米实验室的粒子加速器可以把电子加速到倍光速的速度，请思考：
(1) 地球的公转速度在狭义相对论中属于低速还是高速 被加速器加速后的电子的速度属于低速还是高速
[答案] 地球的公转速度属于低速，被加速器加速后的电子的速度属于高速.
(2) 在地面上校准的两只钟，一只留在地面上，一只随宇宙飞船遨游太空，隔一段时间飞船返回地面时，两只钟显示的时间相同吗
[答案] 不相同.
例1 (多选)一枚火箭静止于地面时长为，两个完全相同的时钟分别放在火箭内和地面上.火箭以速度飞行，光速为，下列判断正确的是( )
AD
A.若，则火箭上的观察者测得火箭的长度仍为
B.若，则地面上的观察者测得火箭的长度仍为
C.若，则火箭上的观察者认为地面上的时钟走得快
D.若，则地面上的观察者认为火箭上的时钟走得慢
[解析] 一枚静止时长为的火箭以的速度飞行，根据相对论时空观可知，火箭上的观察者测得火箭的长度为，故A正确；根据长度收缩效应知，地面上的观察者测得火箭的长度为，故B错误；根据时间延缓效应，运动的钟比静止的钟走得慢，而且运动速度越大，钟走得越慢，同时运动是相对的，火箭相对于地面上的人是运动的，地面上的人相对于火箭也是运动的，所以若，则火箭上的观察者认为地面上的时钟走得慢，同时地面上的观察者认为火箭上的时钟走得慢，故C错误，D正确.
变式1 (多选)设某人在速度为的飞船上打开一个光源，则下列说法正确的是( )
CD
A.飞船正前方地面上的观察者观察这一光速为
B.飞船正后方地面上的观察者观察这一光速为
C.在垂直飞船前进方向地面上的观察者观察这一光速是
D.在地面上任何地方的观察者看到的光速都是
[解析] 根据狭义相对论的“光速不变原理”可知，真空中的光速在不同的惯性系中都是相同的，C、D正确.
变式2 [2024·浙江镇海中学月考] 、、是三个完全相同的时钟，放在地面上，、分别放在以速度和朝同一方向飞行的两个火箭上，且.地面上的观察者认为走得最快的时钟是( )
A
A.时钟 B.时钟 C.时钟 D.无法确定
[解析] 根据公式可知，相对于观察者的速度越小，其上的时间进程越快，
地面上的钟A的速度，则地面上的钟走得最快项正确.
学习任务二 牛顿力学的成就与局限性
［教材链接］ 阅读教材，完成下列填空：
(1)牛顿力学的局限性
①当宏观物体的速度__________时,不服从牛顿力学规律.
②_____________________________的运动不服从牛顿力学规律.
(2)牛顿力学与相对论物理学、量子力学的关系
①牛顿力学是相对论物理学、量子力学在某些条件下的特殊情形.
②相对论物理学与量子力学都没有否定牛顿力学.当物体的运动速度远小于光速,普朗克常量可以忽略不计时,它们的结论没有区别.
接近光速
微观粒子(电子、质子、中子等)
例2 下列运动中不能用经典力学规律描述的是( )
D
A.子弹的飞行 B.和谐号从深圳向广州飞驰
C.人造卫星绕地球运动 D.接近光速的粒子的运动
[解析] 子弹的飞行、和谐号的运动及人造卫星绕地球的运动都属于宏观、低速范畴，适用经典力学，经典力学不适用于接近光速的粒子的运动，故D正确.
变式3 下列关于经典力学的说法正确的是( )
A
A.经典力学适用于宏观、低速(远小于光速)运动的物体
B.经典力学适用于微观、高速(接近光速)运动的粒子
C.相对论和量子力学的出现，表明经典力学已被完全否定了
D.经典力学在理论和实践上取得了巨大的成功，从地面到天体的运动都服从经典力学的规律，因此任何情况下都适用
[解析] 经典力学是狭义相对论在宏观、低速条件下的近似，即速度远小于光速，经过数学变换狭义相对论的公式就全部变化为经典力学的公式，故A正确，B、D错误；相对论与量子力学并没有完全否定经典力学，故C错误.
【要点总结】
牛顿力学与相对论、量子力学是历史发展的不同阶段的产物.我们对自然界的认识过程都是从肤浅到深刻，从片面到全面，不断深入和完善的，所以理论的完善也需要一个过程，在历史发展的不同阶段，人类建立了牛顿力学和相对论、量子力学理论.牛顿力学理论不可能穷尽一切真理，必有其局限性，现在可认为牛顿力学理论是狭义相对论和量子力学的特例.
备 用 习 题
1. [2022·北京101中学月考] 经典力学只适用于“宏观世界”,这里的“宏观世界”是指 ( )
A.行星、恒星、星系等巨大的物质领域
B.地球表面上的物质世界
C.人眼能看到的物质世界
D.不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界
D
[解析] A、B、C三个选项说的都属于“宏观世界”,但都很片面,没有全面描述.
备 用 习 题
2.如图所示,竖直墙上挂着一面时钟,地面上的静止的观察者A观察到钟的面积为S,另一观察者B以0.8c的速度沿平行于y轴方向运动,观察到钟的面积为S'.则S和S'的大小关系是 ( )
A.S>S’ B.S=S'
C.SA
[解析]根据长度收缩效应可知,对沿平行于y轴方向运动的观察者来说,竖直墙上挂着的时钟相对观察者运动,则沿y轴方向上的长度变小,所以此观察者观察到钟的面积要小于地面上静止的观察者观察到钟的面积,即S'备 用 习 题
3. 如图所示,“黑洞”是爱因斯坦广义相对论中预言的一种特殊天体,它的密度极大,对周围的物质(包括光)有极强的吸引力.在研究“黑洞”时,经典力学还适用吗 如何研究“黑洞”问题
[答案]不适用.经典力学适用于弱引力问题,而“黑洞”问题属于强引力问题,经典力学不再适用,可以利用爱因斯坦的广义相对论研究“黑洞”问题.
备 用 习 题
4. “世界物理年”决议的作出与爱因斯坦的相对论时空观有关.根据爱因斯坦的理论,一把米尺,在它与观察者有不同相对速度(沿尺长方向)的情况下,米尺长度是不同的,它们之间的关系如图所示.由此可知,当米尺和观察者的相对速度达到0.8c(c为光速)时,米尺的长度大约为 m.在日常生活中,我们无法观察到米尺长度变化的现象,是因为观察者相对于米尺的运动速度 .
0.6
远小于光速
备 用 习 题
5. 情境:明明同学站在一条长木杆的中央附近,并且看到木杆落在地上时是两头同时落地,所以明明同学认为这木杆是平着落到了地上,而此时飞飞同学正以接近光速的速度从木杆前面掠过,如图所示,则飞飞看到哪一端先落地
[答案] 两端同时落地
[解析] 站在一条长木杆的中央附近的明明同学看到木杆落在地上时是两头同时落地;飞飞同学正以接近光速的速度从木杆前面掠过,飞飞同学以自己为参考系,认为杆以接近光速的速度向左运动的同时在下落,根据狭义相对论的长度收缩效应可知,杆的长度变短了,但高度不变,杆两端仍然是在同一个时刻落地.
1.(牛顿力学和相对论、量子力学的意义)下列说法正确的是( )
B
A.牛顿力学能够说明微观粒子的规律性
B.牛顿力学适用于宏观物体的低速运动问题，不适用于高速运动的物体
C.相对论与量子力学的出现，说明牛顿力学已失去意义
D.对于宏观物体的高速运动问题，牛顿力学仍适用
[解析] 牛顿力学适用于宏观、低速物体，新的学说的出现是对其的一种完善和拓展，牛顿力学并没有失去其存在的意义，故B正确，A、C、D错误.
2.(长度收缩效应)假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是( )
D
A.这个人矮且胖 B.这个人瘦且高 C.这个人矮但不胖 D.这个人瘦但不高
[解析] 取路旁的人为惯性参考系，车上的人相对于路旁的人高速运动，根据长度收缩效应可知，人在运动方向上将变窄，即变瘦，但在垂直于运动的方向上没有发生变化，故D正确.
3.(时间延缓效应)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( )
C
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了
C.由相对论可知，物体速度越大，在其上时间进程就越慢，生理过程也越慢
D.这是神话，科学无法解释
[解析] 根据相对论的时间延缓效应可知，当飞船速度接近光速时，时间会变慢，时间延缓效应对生命过程、化学反应等也是成立的，飞船运行的速度越大，时间延缓效应越明显，故C正确.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性
[教材链接] (1)①存在 ②v船岸=v船水+v水岸 (2)①相同 相同 ②Δt= Δt>Δτ l=l0 l[物理观念] (1)地球的公转速度属于低速,被加速器加速后的电子的速度属于高速.(2)不相同.
例1 AD [解析] 一枚静止时长为30 m的火箭以0.5c的速度飞行,根据相对论时空观可知,火箭上的观察者测得火箭的长度为30 m,故A正确;根据长度收缩效应知l=l0,地面上的观察者测得火箭的长度为l≈26 m,故B错误;根据时间延缓效应,运动的钟比静止的钟走得慢,而且运动速度越大,钟走得越慢,同时运动是相对的,火箭相对于地面上的人是运动的,地面上的人相对于火箭也是运动的,所以若v=0.5c,则火箭上的观察者认为地面上的时钟走得慢,同时地面上的观察者认为火箭上的时钟走得慢,故C错误,D正确.
变式1 CD [解析] 根据狭义相对论的“光速不变原理”可知,真空中的光速在不同的惯性系中都是相同的,C、D正确.
变式2 A [解析] 根据公式Δt=可知,相对于观察者的速度v越小,其上的时间进程越快,地面上的钟A的速度v=0,则地面上的钟走得最快.A项正确.
[教材链接] (1)①接近光速 ②微观粒子(电子、质子、中子等)
例2 D [解析] 子弹的飞行、和谐号的运动及人造卫星绕地球的运动都属于宏观、低速范畴,适用经典力学,经典力学不适用于接近光速的粒子的运动,故D正确.
变式3 A [解析] 经典力学是狭义相对论在宏观、低速(v c)条件下的近似,即速度远小于光速,经过数学变换狭义相对论的公式就全部变化为经典力学的公式,故A正确,B、D错误;相对论与量子力学并没有完全否定经典力学,故C错误.
随堂巩固
1.B [解析] 牛顿力学适用于宏观、低速物体,新的学说的出现是对其的一种完善和拓展,牛顿力学并没有失去其存在的意义,故B正确,A、C、D错误.
2.D [解析] 取路旁的人为惯性参考系,车上的人相对于路旁的人高速运动,根据长度收缩效应可知,人在运动方向上将变窄,即变瘦,但在垂直于运动的方向上没有发生变化,故D正确.
3.C [解析] 根据相对论的时间延缓效应可知,当飞船速度接近光速时,时间会变慢,时间延缓效应对生命过程、化学反应等也是成立的,飞船运行的速度越大,时间延缓效应越明显,故C正确.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性
学习任务一 相对论时空观
[教材链接] 阅读教材,完成下列填空:
(1)牛顿力学时空观(绝对时空观)
①时间与空间都是独立于物体及其运动而 的.
②速度合成:若河水以相对于岸的速度v水岸流动,河中的船以相对于水的速度v船水顺流而下,则船相对于岸的速度为 .
(2)相对论时空观
①爱因斯坦两个假设
假设1:在不同的惯性参考系中,物理规律的形式都是 的.
假设2:真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是 的.
②相对论的两个效应结论
结论1:时间延缓效应: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完成这个动作的时间间隔为Δt,那么两者之间的关系是 ,由于1-<1,所以总有 .
结论2: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 ,由于1-<1,所以总有 .
(3)实验结论: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 的.
[物理观念] 地球绕太阳公转的速度约为3×104 m/s,设在美国伊利诺伊州费米实验室的粒子加速器可以把电子加速到0.999 999 999 987倍光速的速度,请思考:
(1)地球的公转速度在狭义相对论中属于低速还是高速 被加速器加速后的电子的速度属于低速还是高速
(2)在地面上校准的两只钟,一只留在地面上,一只随宇宙飞船遨游太空,隔一段时间飞船返回地面时,两只钟显示的时间相同吗
例1 (多选)一枚火箭静止于地面时长为30 m,两个完全相同的时钟分别放在火箭内和地面上.火箭以速度v飞行,光速为c,下列判断正确的是 ( )
A.若v=0.5c,则火箭上的观察者测得火箭的长度仍为30 m
B.若v=0.5c,则地面上的观察者测得火箭的长度仍为30 m
C.若v=0.5c,则火箭上的观察者认为地面上的时钟走得快
D.若v=0.5c,则地面上的观察者认为火箭上的时钟走得慢
[反思感悟]
变式1 (多选)设某人在速度为0.5c的飞船上打开一个光源,则下列说法正确的是 ( )
A.飞船正前方地面上的观察者观察这一光速为1.5c
B.飞船正后方地面上的观察者观察这一光速为0.5c
C.在垂直飞船前进方向地面上的观察者观察这一光速是c
D.在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c
[反思感悟]
变式2 [2024·浙江镇海中学月考] A、B、C是三个完全相同的时钟,A放在地面上,B、C分别放在以速度v1和v2朝同一方向飞行的两个火箭上,且v1A.A时钟 B.B时钟
C.C时钟 D.无法确定
[反思感悟]
学习任务二 牛顿力学的成就与局限性
[教材链接] 阅读教材,完成下列填空:
(1)牛顿力学的局限性
①当宏观物体的速度 时,不服从牛顿力学规律.
② 的运动不服从牛顿力学规律.
(2)牛顿力学与相对论物理学、量子力学的关系
①牛顿力学是相对论物理学、量子力学在某些条件下的特殊情形.
②相对论物理学与量子力学都没有否定牛顿力学.当物体的运动速度远小于光速,普朗克常量可以忽略不计时,它们的结论没有区别.
例2 下列运动中不能用经典力学规律描述的是( )
A.子弹的飞行
B.和谐号从深圳向广州飞驰
C.人造卫星绕地球运动
D.接近光速的粒子的运动
[反思感悟]
变式3 下列关于经典力学的说法正确的是 ( )
A.经典力学适用于宏观、低速(远小于光速)运动的物体
B.经典力学适用于微观、高速(接近光速)运动的粒子
C.相对论和量子力学的出现,表明经典力学已被完全否定了
D.经典力学在理论和实践上取得了巨大的成功,从地面到天体的运动都服从经典力学的规律,因此任何情况下都适用
[反思感悟]
【要点总结】
牛顿力学与相对论、量子力学是历史发展的不同阶段的产物.我们对自然界的认识过程都是从肤浅到深刻,从片面到全面,不断深入和完善的,所以理论的完善也需要一个过程,在历史发展的不同阶段,人类建立了牛顿力学和相对论、量子力学理论.牛顿力学理论不可能穷尽一切真理,必有其局限性,现在可认为牛顿力学理论是狭义相对论和量子力学的特例.
1.(牛顿力学和相对论、量子力学的意义)下列说法正确的是 ( )
A.牛顿力学能够说明微观粒子的规律性
B.牛顿力学适用于宏观物体的低速运动问题,不适用于高速运动的物体
C.相对论与量子力学的出现,说明牛顿力学已失去意义
D.对于宏观物体的高速运动问题,牛顿力学仍适用
2.(长度收缩效应)假设地面上有一火车以接近光速的速度运行,其内站立着一个中等身材的人,站在路旁的人观察车里的人,观察的结果是 ( )
A.这个人矮且胖
B.这个人瘦且高
C.这个人矮但不胖
D.这个人瘦但不高
3.(时间延缓效应)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了
C.由相对论可知,物体速度越大,在其上时间进程就越慢,生理过程也越慢
D.这是神话,科学无法解释
