第5节 相对论时空观与牛顿力学的局限性-高一物理人教版必修第二册(22页PPT)

(共22张PPT)
第七章 万有引力与宇宙航行
第5节 相对论时空观与牛顿力学的局限性
例1-1 如图7-5-1所示，甲乘坐速度为为光速 的宇宙飞船追赶正前方的乙，乙
乘坐的宇宙飞船的飞行速度为 ，乙向甲发出一束光进行联络，则甲观测到该光
束的传播速度是___（选填“”“”或“ ”）；若地面上的观察者和甲、乙均戴着
相同的手表，且在甲、乙登上飞船前已调整一致，则地面上的观察者观察三人的手
表时发现__________（选填“甲的最慢”“乙的最慢”或“示数相同”）。
甲的最慢
图7-5-1
教材帮 新知课丨必备知识解读
知识点1 相对论时空观
【解析】根据爱因斯坦相对论，在任何参考系中，光速不变，即光速不随光源和观
察者所在参考系的相对运动而改变，所以甲观测到该光束的传播速度为 ；根据爱因
斯坦相对论观点得 ，故甲、乙的手表均比地面上的观察者的手表慢，由于
，可知甲的手表比乙的手表慢。
例1-2 一枚静止时长度为的火箭以 的速度从观察者的身边掠过，
已知光速为 ，观察者测得火箭的长度约为( )
D
A. B. C. D.
【解析】根据长度收缩效应有 ，得观察者测得火箭的长度为
，故D正确，A、B、C错误。
【学会了吗丨变式题】
图7-5-2
1.如图7-5-2所示，甲、乙两人分别乘坐速度为和
为真空中的光速 的飞船反向运动，则下列说法正确的是( )
C
A.甲观察到乙的身高变高
B.甲观察到乙的身高变矮
C.甲观察到乙所乘的飞船变短
D.甲观察到乙所带的钟表显示时间变快
【解析】身高是竖直方向的，他们的运动方向在水平方向上，所以两者看到对方的
身高不变，故A、B错误；根据长度收缩效应知，甲观察到乙所乘的飞船变短，故C
正确；根据时间延缓效应，可以推测两人接近光速运动时，相对地球来说时间都变
慢了，但乙比甲的速度大，因此可以推测，乙所带的钟表要更慢一点，故D错误。
例2-3 下列物体的运动，不能用经典力学描述的是( )
B
A.“复兴”号列车高速行驶 B.电子以接近光的速度运动
C.“神舟二十号”飞船在轨道上运行 D.“辽宁”号航空母舰在大海上航行
【解析】经典力学适用于低速、宏观的物体，不适用于高速、微观的物体，故电子
以接近光的速度运动时不能用经典力学描述，列车的行驶、飞船的运行以及航空母
舰在大海上航行都能用经典力学描述，故不能用经典力学描述的只有B。
知识点2 牛顿力学的成就与局限性
【学会了吗丨变式题】
2.（多选）下列说法正确的是( )
CD
A.公式中的是物体以速度 运动时的质量
B.当物体的运动速度 时，物体的质量变大，故经典力学理论不适用
C.当物体以较小的速度运动时，质量变化十分微小，只有当物体以接近光速的速度
运动时，质量变化才明显，故经典力学理论适用于低速运动，而不适用于高速运动
D.当物体的速度相对光速很小时，我们感觉不到物体质量的变化，所以在分析地球
上一般物体的运动时，不必考虑质量变化
【解析】公式中的 是物体静止时的质量，故A错误；当物体的运动速度
时，物体的质量变大，但是当物体以较小速度运动时，质量变化十分微弱，只
有当物体以接近光速的速度运动时，质量变化才明显，故经典力学适用于低速运动，
而不适用于高速运动，在分析地球上一般物体的运动时，经典力学理论仍然适用，
故B错误，C、D正确。
方法帮 解题课丨关键能力构建
题型 时间延缓效应与长度收缩效应
例4 （多选）用相对论的观点判断下列说法正确的是( )
CD
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
都不会改变
B.在地面上的人看来，以 的速度运动的飞船中的时钟会变快，但飞船中的航
天员却认为时钟是准确的
C.在地面上的人看来，以 的速度垂直地面向上运动的飞船在运动方向上会变
短，而飞船中的航天员却感觉地面上的人看起来比飞船中的人扁一些
D.当物体运动的速度远小于 时，长度收缩效应和时间延缓效应都可以忽略不计
【解析】根据相对论可知，时间和空间都是相对的，没有绝对准确的时间和空间，
A项错误；由 知，在地面上看运动的时钟，发现运动的时钟会变慢，B项
错误;由可知两处的人都感觉 ，C项正确；由时间延缓效应公式和
长度收缩效应公式可知，当远小于 时，时间延缓效应和长度收缩效应都可以忽略
不计，D项正确。
【学会了吗丨变式题】
图7-5-3
3.(清华大学强基计划试题，多选)如图7-5-3所示，在相对论效应
下，系相对系向右运动的速度为,系中 杆向上运动,速度为
,那么在 系看来杆的形态如何( )
BD
A.杆倾斜，端偏上，端偏下 B.杆倾斜，端偏下， 端偏上
C.杆不倾斜 D.杆的整体长度缩短
【解析】由题意知杆相对于 系向右上方运动,由爱因斯坦的相对论知，杆沿运动方
向的长度分量有收缩效应,垂直于运动方向的长度分量不变，所以杆向右下方倾斜，
整体长度缩短。选项B、D正确。
高考帮 考试课丨核心素养聚焦
考情揭秘 素养点击
基本考查点 牛顿力学与相对论的适用范围。 1.知道牛顿力学的成就与局
限性，知道相关物理学史的
内容。
2.了解光速不变原理、时间
延缓效应及长度收缩效应等
结论的内容，能灵活运用相
对论时空观分析问题。
热点及难点 光速不变原理，时间延缓效应及长度收 缩效应的应用。 题型及难度 常以选择题的形式出现，难度中等 偏易。 高考中地位 全国卷中较少考查，个别省份有所 考查。 考向 考查对“同时性的相对性”的理解
图7-5-4
例5 (江苏高考题)如图7-5-4所示，沿平直铁路线有间距相
等的三座铁塔、和。假想有一列车沿 方向以接近光
速行驶，当铁塔发出一个闪光，列车上的观测者测得 、
两铁塔被照亮的顺序是( )
C
A.同时被照亮 B. 先被照亮
C. 先被照亮 D.无法判断
【解析】列车上的观测者以列车为参考系，那么铁塔、、均沿方向运动。
发出的光向、传播的过程中，是远离光线运动， 是向着光线运动，所以在列车
上的观测者看来，光线先传播到，即 先被照亮。故选项C正确。
练习帮 习题课丨学业质量测评
A 基础练丨知识测评
建议时间：10分钟
1.下列运动，不能用牛顿力学规律描述的是( )
B
A.天问一号绕火星运动 B.粒子接近光速运动
C.人随电梯上升 D.高铁从广州驶向杭州
【解析】天问一号绕火星的运动、人随电梯上升以及高铁从广州驶向杭州都属于宏
观低速的运动，都能用牛顿力学规律描述；粒子接近光速运动，不能用牛顿力学规
律描述，故B正确，A、C、D错误。
2.（多选）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，下列说法正确的是( )
BC
A.飞船上的人观测到飞船上的钟较慢 B.飞船上的人观测到飞船上的钟较快
C.地球上的人观测到地球上的钟较快 D.地球上的人观测到地球上的钟较慢
【解析】飞船上的人以飞船为参考系，故地球是高速运动的，根据时间延缓效应，
飞船上的人观测到地球上的铯原子钟较慢，即飞船上的人观测到飞船上的铯原子钟
较快，故A错误，B正确；地球上的人以地球为参考系，飞船是高速运动的，同样根
据时间延缓效应，观测到飞船上的钟较慢，故地球上的人观测到地球上的钟较快，
故C正确，D错误。
3.关于绝对时空观和相对论时空观，下列说法错误的是( )
D
A.绝对时空观认为时间和空间是独立于物体及其运动而存在的
B.相对论时空观认为时间和空间与物体及其运动有关系
C.牛顿力学只适用于宏观低速运动问题，不适用于高速运动问题
D.当物体的运动速度远小于光速时，相对论和牛顿力学的结论仍有很大的区别
【解析】绝对时空观认为时间和空间是独立于物体及其运动而存在的，而相对论时
空观认为时间和空间与物体及其运动有关系，选项A、B正确；牛顿力学只适用于宏
观低速运动问题，不适用于微观高速运动问题，选项C正确；当物体的运动速度远小
于光速时，相对论和牛顿力学的结论没有很大的区别，选项D错误。
4.(2025·江苏省宜兴中学月考)下列说法正确的是( )
A
A.牛顿运动定律适用于解决宏观、低速的物体运动问题
B.在真空中，相对于不同的惯性参考系，光速是不同的
C.在高速运动的列车中的钟表比静止在地面上的钟表走得快
D.在地面观察高速行进的列车时，测其长度会比它静止时的长度大
【解析】
选项 分析 正误
A 牛顿运动定律是经典力学的基础，仅适用于低速、宏观领域。
B 根据狭义相对论可知，在所有的惯性系中，光在真空中的传播速率具 有相同的值，这叫光速不变原理。
C 根据狭义相对论的时间延缓效应可知，在高速运动的列车中的钟表比 静止在地面上的钟表走得慢。
D 根据狭义相对论的长度收缩效应可知，在地面观察高速行进的列车 时，测其长度会比它静止时的长度小。
B 综合练丨选考通关
建议时间：10分钟
5.如图所示，强强乘速度为（ 为真空中的光速）的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，
壮壮的飞行速度为 ，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的
传播速度为( )
D
A. B. C. D.
【解析】根据爱因斯坦的相对论，在一切惯性系中，光在真空中的传播速度都等于 ，
故选项D正确。
6.(江苏高考题)一艘太空飞船静止时的长度为，它以（ 为光速）的速度沿
长度方向飞行越过地球，下列说法正确的是( )
B
A.飞船上的观测者测得该飞船的长度小于
B.地球上的观测者测得该飞船的长度小于
C.飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于
D.地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于
【解析】飞船上的观测者相对飞船静止，则他测得的是飞船的静止长度，即为 ，
A项错误；地球上的观测者看到飞船是运动的，根据长度的相对性可知他测得的飞
船长度比飞船静止时的长度短，B项正确；根据光速不变原理得飞船上的观测者和地
球上的观测者观测到的光信号速度均为 ，C、D项错误。
7.我们想象这样一副图景：一列火车以接近光速的速度从地面上静止的观察者身边
飞驰而过，火车里的观察者看到铁路旁的电线杆之间的距离______（填“变大”“变小”
或“不变”），而地面上的观察者看到火车车窗的高度______（填“变大”“变小”或“不
变”）。
变小
不变
【解析】一列火车以接近光速的速度从地面上静止的观察者身边飞驰而过，根据相
对论的长度收缩效应可知，火车里的观察者看到铁路旁的电线杆之间的距离变小，
地面上的观察者看到火车车窗长度变短，而车窗高度不变。