資源簡介

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7.5 相對論時空觀與牛頓力學的局限性
（1）感受牛頓力學在高速世界與事實的矛盾，知道牛頓力學只適用于低速、宏觀物體的運動。知道相對論、量子論有助于人類認識高速、微觀領域。
（2）知道愛因斯坦狹義相對論的基本假設，知道長度相對性和時間間隔相對性的表達式。
（3）了解宇宙起源的大爆炸理論，知道科學真理是相對的，未知世界必將在人類不懈的探索中被揭開更多的謎底。
設想人類可以利用飛船以0.2c的速度進行星際航行。若飛船向正前方的某一星球發射一束激光，該星球上的觀察者測量到的激光的速度是多少？
知識點1 相對論時空觀
1．19世紀，英國物理學家麥克斯韋根據電磁場理論預言了電磁波的存在，并證明電磁波的傳播速度等于光速c．
2．1887 年的邁克耳孫—莫雷實驗以及其他一些實驗表明：在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的．
3．愛因斯坦假設：在不同的慣性參考系中，物理規律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的．
4．時間延緩效應：完成同一動作，在慣性參考系上的時間間隔Δτ和在地面上的人的時間間隔Δt之間的關系是Δt＝.
由于1－<1，所以總有Δt>Δτ，此種情況稱為時間延緩效應．
5．長度收縮效應：如果與桿相對靜止的人測得桿長是l0，沿著桿的方向，以v相對桿運動的人測得桿長是l，那么兩者之間的關系是l＝l0.
由于1－<1，所以總有l6．相對論時空觀：運動物體的長度(空間距離)和物理過程的快慢(時間進程)都跟物體的運動狀態有關．
知識點2 牛頓力學的成就與局限性
1．電子、質子、中子等微觀粒子不僅具有粒子性，同時還具有波動性，它們的運動規律在很多情況下不能用經典力學來說明，而量子力學能夠正確地描述微觀粒子的運動規律．
2．經典力學的適用范圍：只適用于低速運動，不適用于高速運動；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界．
（2024 海門區校級學業考試）關于經典力學的適用范圍和局限性，下列說法正確的是（　?。?br/>A．經典力學過時了，應該被量子力學所取代
B．由于超音速飛機的速度太大，其運動不能用經典力學來解釋
C．人造衛星的運動不適合用經典力學來描述
D．當物體速度接近光速時，其運動規律不適合用經典力學來描述
（2024春 黃浦區校級期末）在1905年愛因斯坦提出了狹義相對論理論，此理論建立的前提有兩個假設條件以及在相對論理論下觀察到的不同現象，如果有接近光速運動下的物體時間和空間都會發生相應的變化，下列說法中正確的是（　　）
A．在不同的慣性參考系中，一切物體的規律是不同的
B．真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的
C．物體在接近光速運動時，它沿運動方向上的長度會變大
D．狹義相對論只適用于高速運動的物體，不適用于低速運動的物體
（2024春 佛山期末）關于牛頓力學與相對論，以下說法正確的是（　?。?br/>A．中國東風27超高音速導彈的飛行速度可達到3400m/s，牛頓力學不再適用
B．真空中的光速大小在不同的慣性參考系中都是相同的
C．牛頓力學在微觀領域物質結構中不適用，因此帶電粒子在電場中的運動不滿足牛頓運動定律
D．對于地面上靜止不動的物體，在不同參考系中測得該物體的長度都是一樣的
（2024 鎮海區模擬）如圖所示，位于教室中央的光源發出一個閃光，閃光照到了教室的前壁和后壁。教室的長度為10m。在平行于教室高速運動的太空飛船上的觀察者（　　）
A．測得照到前壁的光速度小于c
B．觀測到飛船上的時間進程比教室慢
C．測得教室的長度小于10m
D．觀察到光同時到達前、后壁
（2024春 綿陽期末）以高速列車為例，假定車廂安裝著一個墨水罐，它每隔一定時間滴出一滴墨水，車上的人測得，墨水在t1′、t2′兩個時刻在地面形成P、Q兩個墨點，也就是說發生了兩個事件，車上的人認為兩個事件的時間間隔是Δτ＝t2′﹣t1′，地面觀察者測得的時間間隔為Δt＝t2﹣t1，則Δτ與Δt的關系是（　　）
A．Δτ＞Δt B．Δτ＜Δt C．Δτ＝Δt D．無法確定
（2024春 河西區期中）下列物理情景中，經典的牛頓力學不再適用的是（　?。?br/>A．電子以接近光的速度運動
B．射擊場上，從槍膛射出的子彈
C．在武漢大學校園觀賞櫻花的游客
D．體育課上，被小明同學拋出的籃球
（2024 海門區校級二模）如圖所示，一同學在教室上課，教室的長度為9m，教室中間位置有一光源．有一飛行器從前向后高速通過教室外側，已知光速為c，飛行器中的飛行員認為（　?。?br/>A．教室中的時鐘變快
B．教室的長度大于9m
C．從光源發出的光先到達教室后壁
D．光源發出的光，向后的速度小于c
（2023春 涪城區校級期末）如圖所示，你站在水平木桿AB的中央附近，并且看到木桿落在地面上時是兩端同時著地的；若此時飛飛同學正以接近光速的速度從木桿前面掠過，則（　?。?br/>A．飛飛同學看到木桿的B端比A端先落地
B．飛飛同學看到木桿的A端比B端先落地
C．飛飛同學看到木桿的兩端同時落地
D．飛飛同學看到的木桿長度比你看到的木桿長度更長
（2023 南通開學）如圖所示，假設一列火車沿水平軌道接近光速勻速行駛，車廂正中央的光源S發出了一個閃光，車上的人甲和車旁邊的人乙進行觀察，則（　?。?br/>A．甲認為閃光先到達車廂的后壁
B．甲認為閃光先到達車廂的前壁
C．乙認為閃光先到達車廂的后壁
D．乙認為閃光先到達車廂的前壁
（2023春 番禺區期末）根據愛因斯坦提出的相對論，以下說法正確的是（　?。?br/>A．經典力學理論普遍適用，大到天體，小到微觀粒子均適用
B．物體的質量取決于物體所含物質的多少，質量與速度大小無關
C．一個真實的物體，其運動速度有可能達到甚至超過真空中的光速
D．質量、長度、時間的測量結果都與觀測者的相對運動狀態有關
（2023春 東莞市期末）愛因斯坦于1905年在德國《物理年鑒》發表了論文《論動體的電動力學》，論文首次提出狹義相對論。假設一艘太空飛船靜止時的長度為30m，它以0.6c（c為光速）的速度沿長度方向飛行越過地球，根據狹義相對論，下列說法正確的是（　?。?br/>A．飛船上的觀測者測得該飛船的長度小于30m
B．地球上的觀測者測得該飛船的長度小于30m
C．飛船上的觀測者測得地球上發來的光信號速度小于c
D．地球上的觀測者測得飛船上發來的光信號速度小于c
（多選）（2023春 西城區校級期末）μ子是自然界的基本粒子之一，它平均壽命很短容易發生衰變?？茖W家發現μ子以0.99c甚至更高的速度飛向地球，根據經典理論計算出每秒到達地球的μ子數小于實際觀察到的μ子數。這一現象與經典理論產生了矛盾，用相對論時空觀可以得到很好的解釋，這也成為相對論時空觀的最早證據。
相對論時空觀認為：如果相對于地面以v運動的慣性參考系上的人觀察到與其一起運動的物體完成某個動作的時間間隔為Δτ，地面上的人觀察到該物體在完成這個動作的時間間隔為Δt，那么兩者之間的關系是
已知μ子低速運動時的平均壽命是3.0μs。下列說法正確的是（　?。?br/>A．當μ子以0.99c飛行，選擇此μ子作為參考系，則μ子的平均壽命大于3.0μs
B．當μ子以0.99c飛行，以地面為參考系，則μ子的平均壽命大于3.0μs
C．對地面上的觀測者來說，μ子平均飛行的距離大約為900m
D．對地面上的觀測者來說，μ子平均飛行的距離大約為6300m
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7.5 相對論時空觀與牛頓力學的局限性
（1）感受牛頓力學在高速世界與事實的矛盾，知道牛頓力學只適用于低速、宏觀物體的運動。知道相對論、量子論有助于人類認識高速、微觀領域。
（2）知道愛因斯坦狹義相對論的基本假設，知道長度相對性和時間間隔相對性的表達式。
（3）了解宇宙起源的大爆炸理論，知道科學真理是相對的，未知世界必將在人類不懈的探索中被揭開更多的謎底。
設想人類可以利用飛船以0.2c的速度進行星際航行。若飛船向正前方的某一星球發射一束激光，該星球上的觀察者測量到的激光的速度是多少？
知識點1 相對論時空觀
1．19世紀，英國物理學家麥克斯韋根據電磁場理論預言了電磁波的存在，并證明電磁波的傳播速度等于光速c．
2．1887 年的邁克耳孫—莫雷實驗以及其他一些實驗表明：在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的．
3．愛因斯坦假設：在不同的慣性參考系中，物理規律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的．
4．時間延緩效應：完成同一動作，在慣性參考系上的時間間隔Δτ和在地面上的人的時間間隔Δt之間的關系是Δt＝.
由于1－<1，所以總有Δt>Δτ，此種情況稱為時間延緩效應．
5．長度收縮效應：如果與桿相對靜止的人測得桿長是l0，沿著桿的方向，以v相對桿運動的人測得桿長是l，那么兩者之間的關系是l＝l0.
由于1－<1，所以總有l6．相對論時空觀：運動物體的長度(空間距離)和物理過程的快慢(時間進程)都跟物體的運動狀態有關．
知識點2 牛頓力學的成就與局限性
1．電子、質子、中子等微觀粒子不僅具有粒子性，同時還具有波動性，它們的運動規律在很多情況下不能用經典力學來說明，而量子力學能夠正確地描述微觀粒子的運動規律．
2．經典力學的適用范圍：只適用于低速運動，不適用于高速運動；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界．
（2024 海門區校級學業考試）關于經典力學的適用范圍和局限性，下列說法正確的是（　?。?br/>A．經典力學過時了，應該被量子力學所取代
B．由于超音速飛機的速度太大，其運動不能用經典力學來解釋
C．人造衛星的運動不適合用經典力學來描述
D．當物體速度接近光速時，其運動規律不適合用經典力學來描述
【解答】解：A、經典力學不會過時，在低速宏觀物理過程中適用，不可替代。故A錯誤；
B、超音速飛機的速度遠低于光速，其運動能用經典力學來解釋。故B錯誤；
C、人造衛星的運動速度遠低于光速，適合用經典力學來描述。故C錯誤；
D、當物體速度接近光速時，其運動規律不適合用經典力學來描述。故D正確；
故選：D。
（2024春 黃浦區校級期末）在1905年愛因斯坦提出了狹義相對論理論，此理論建立的前提有兩個假設條件以及在相對論理論下觀察到的不同現象，如果有接近光速運動下的物體時間和空間都會發生相應的變化，下列說法中正確的是（　　）
A．在不同的慣性參考系中，一切物體的規律是不同的
B．真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的
C．物體在接近光速運動時，它沿運動方向上的長度會變大
D．狹義相對論只適用于高速運動的物體，不適用于低速運動的物體
【解答】解：A、根據相對論的兩個基本假設可知，在不同的慣性參考系中，一切物體的規律是相同的，故A錯誤；
B、根據相對論的兩個基本假設可知，在不同的慣性參考系中真空中的光速是相同的，故B正確；
C、根據長度的相對性關系：L，可知一個沿自身長度方向運動的物體，其長度總比物體靜止時的長度小，故C錯誤；
D、低速運動時，只是高速運動的特殊情況，故相對論在低速運動時仍適用。
故選：B。
（2024春 佛山期末）關于牛頓力學與相對論，以下說法正確的是（　?。?br/>A．中國東風27超高音速導彈的飛行速度可達到3400m/s，牛頓力學不再適用
B．真空中的光速大小在不同的慣性參考系中都是相同的
C．牛頓力學在微觀領域物質結構中不適用，因此帶電粒子在電場中的運動不滿足牛頓運動定律
D．對于地面上靜止不動的物體，在不同參考系中測得該物體的長度都是一樣的
【解答】解：A.牛頓力學適用于低速宏觀物體，不適用于微觀或高速情況，故A錯誤；
B.相對論指出，真空中光速在所有慣性參考系中恒定，故B正確；
C.牛頓力學在微觀領域物質結構中不適用，但帶電粒子在電場中的運動仍滿足牛頓運動定律，故C錯誤；
D.根據相對論的尺縮效應可知：對于地面上靜止不動的物體，在不同參考系中測得該物體的長度不一樣的，故D錯誤.
故選：B。
（2024 鎮海區模擬）如圖所示，位于教室中央的光源發出一個閃光，閃光照到了教室的前壁和后壁。教室的長度為10m。在平行于教室高速運動的太空飛船上的觀察者（　　）
A．測得照到前壁的光速度小于c
B．觀測到飛船上的時間進程比教室慢
C．測得教室的長度小于10m
D．觀察到光同時到達前、后壁
【解答】解：AD．根據光速不變原理，不論光源與觀察者之間做怎樣的相對運動，光速都是一樣的等于c，教室相對于飛船向左運動，則光到前壁的路程變短，光先到達前壁，故AD錯誤；
BC．根據愛因斯坦的時間相對論公式Δt，可知飛太空飛船上的觀察者認為看到教室中的時鐘變慢，即觀測到飛船上的時間進程比教室快，
根據長度相對論公式l，l＝l0教室的長度變短小于10m，故B錯誤，C正確。
故選：C。
（2024春 綿陽期末）以高速列車為例，假定車廂安裝著一個墨水罐，它每隔一定時間滴出一滴墨水，車上的人測得，墨水在t1′、t2′兩個時刻在地面形成P、Q兩個墨點，也就是說發生了兩個事件，車上的人認為兩個事件的時間間隔是Δτ＝t2′﹣t1′，地面觀察者測得的時間間隔為Δt＝t2﹣t1，則Δτ與Δt的關系是（　　）
A．Δτ＞Δt B．Δτ＜Δt C．Δτ＝Δt D．無法確定
【解答】解：根據時間的相對性Δt
且
所以Δt＞Δτ
故B正確，ACD錯誤。
故選：B。
（2024春 河西區期中）下列物理情景中，經典的牛頓力學不再適用的是（　?。?br/>A．電子以接近光的速度運動
B．射擊場上，從槍膛射出的子彈
C．在武漢大學校園觀賞櫻花的游客
D．體育課上，被小明同學拋出的籃球
【解答】解：經典的牛頓力學適用于宏觀、低速（遠小于光速）運動的物體，由此可知，射擊場上從槍膛射出的子彈、在武漢大學校園觀賞櫻花的游客、體育課上被小明同學拋出的籃球，經典的牛頓力學均可以適用，電子以接近光的速度運動，電子屬于微觀粒子且速度接近光速，經典的牛頓力學不再適用，故A正確，BCD錯誤。
故選：A。
（2024 海門區校級二模）如圖所示，一同學在教室上課，教室的長度為9m，教室中間位置有一光源．有一飛行器從前向后高速通過教室外側，已知光速為c，飛行器中的飛行員認為（　?。?br/>A．教室中的時鐘變快
B．教室的長度大于9m
C．從光源發出的光先到達教室后壁
D．光源發出的光，向后的速度小于c
【解答】解：AB、根據愛因斯坦的相對論，可知飛行器中的飛行員認為看到教室中的時鐘變慢，教室的長度變短，即長度小于9m，故AB錯誤；
C、教室中的人認為，光向前向后傳播的速度相等，光源在教室中央，光同時到達前后兩壁，飛行器中的飛行員是一個慣性系，光向前向后傳播的速度相等，向后壁傳播的路程短些，到達后壁的時刻早些，故C正確；
D、根據光速不變理論，無論光源與觀察者之間做怎樣的相對運動，光速都是一樣的，故D錯誤；
故選：C。
（2023春 涪城區校級期末）如圖所示，你站在水平木桿AB的中央附近，并且看到木桿落在地面上時是兩端同時著地的；若此時飛飛同學正以接近光速的速度從木桿前面掠過，則（　?。?br/>A．飛飛同學看到木桿的B端比A端先落地
B．飛飛同學看到木桿的A端比B端先落地
C．飛飛同學看到木桿的兩端同時落地
D．飛飛同學看到的木桿長度比你看到的木桿長度更長
【解答】解：ABC.當飛飛同學掠過木桿時，在她看來，木桿不僅在下落，而且木桿的B端還在朝她運動，因此，在你看來同時發生的兩個事件，在飛飛同學看來首先在B端發生，故飛飛同學看到木桿的B端比A端先落地，故A正確，BC錯誤；
D.根據尺縮效應可知，飛飛同學看到的木桿長度比你看到的木桿長度更短，故D錯誤。
故選：A。
（2023 南通開學）如圖所示，假設一列火車沿水平軌道接近光速勻速行駛，車廂正中央的光源S發出了一個閃光，車上的人甲和車旁邊的人乙進行觀察，則（　?。?br/>A．甲認為閃光先到達車廂的后壁
B．甲認為閃光先到達車廂的前壁
C．乙認為閃光先到達車廂的后壁
D．乙認為閃光先到達車廂的前壁
【解答】解：AB.車廂中的人認為，車廂是個慣性系，光向前向后傳播的速度相等，光源在車廂中央，閃光同時到達前后兩壁；故AB錯誤；
CD.地面上的人以地面為參考系，光向前向后傳播的速度相等，向前傳播的路程長些，向后傳播的路程短，所以乙認為閃光先到達車廂的后壁，故C正確，D錯誤。
故選：C。
（2023春 番禺區期末）根據愛因斯坦提出的相對論，以下說法正確的是（　?。?br/>A．經典力學理論普遍適用，大到天體，小到微觀粒子均適用
B．物體的質量取決于物體所含物質的多少，質量與速度大小無關
C．一個真實的物體，其運動速度有可能達到甚至超過真空中的光速
D．質量、長度、時間的測量結果都與觀測者的相對運動狀態有關
【解答】解：A、經典力學只適用于宏觀、低速運動的物體，對微觀粒子不適用，故A錯誤；
B、根據相對論理論可知，物體的速度越大，質量越大，故B錯誤；
C、根據相對論理論可知，真空中的光速是速度的極限，一個真實的物體，其運動速度不可能達到甚至超過真空中的光速，故C錯誤；
D、根據愛因斯坦的相對論可知，質量、長度、時間的測量結果都是相對的，它們的測量結果都是隨物體與觀測者的相對運動狀態而改變，故D正確。
故選：D。
（2023春 東莞市期末）愛因斯坦于1905年在德國《物理年鑒》發表了論文《論動體的電動力學》，論文首次提出狹義相對論。假設一艘太空飛船靜止時的長度為30m，它以0.6c（c為光速）的速度沿長度方向飛行越過地球，根據狹義相對論，下列說法正確的是（　?。?br/>A．飛船上的觀測者測得該飛船的長度小于30m
B．地球上的觀測者測得該飛船的長度小于30m
C．飛船上的觀測者測得地球上發來的光信號速度小于c
D．地球上的觀測者測得飛船上發來的光信號速度小于c
【解答】解：A、飛船上的觀測者相對于飛船是靜止的，所以飛船上的觀測者測得該飛船的長度是靜止時的長度，為30m，故A錯誤；
B、飛船以0.6c的速度沿長度方向飛行越過地球，根據相對論尺縮效應分析可知地球上的觀測者測得該飛船的長度小于30m，故B正確；
CD、根據狹義相對論的光速不變原理，飛船上的觀測者測得地球上發來的光信號速度等于c，地球上的觀測者測得飛船上發來的光信號速度也等于c，故CD錯誤；
故選：B。
（多選）（2023春 西城區校級期末）μ子是自然界的基本粒子之一，它平均壽命很短容易發生衰變。科學家發現μ子以0.99c甚至更高的速度飛向地球，根據經典理論計算出每秒到達地球的μ子數小于實際觀察到的μ子數。這一現象與經典理論產生了矛盾，用相對論時空觀可以得到很好的解釋，這也成為相對論時空觀的最早證據。
相對論時空觀認為：如果相對于地面以v運動的慣性參考系上的人觀察到與其一起運動的物體完成某個動作的時間間隔為Δτ，地面上的人觀察到該物體在完成這個動作的時間間隔為Δt，那么兩者之間的關系是
已知μ子低速運動時的平均壽命是3.0μs。下列說法正確的是（　　）
A．當μ子以0.99c飛行，選擇此μ子作為參考系，則μ子的平均壽命大于3.0μs
B．當μ子以0.99c飛行，以地面為參考系，則μ子的平均壽命大于3.0μs
C．對地面上的觀測者來說，μ子平均飛行的距離大約為900m
D．對地面上的觀測者來說，μ子平均飛行的距離大約為6300m
【解答】解：A、當μ子以0.99c飛行，選擇此μ子作為參考系，由狹義相對論可知，則μ子的平均壽命不變，故A錯誤；
B、當μ子以0.99c飛行，以地面為參考系，Δτ＝3.0μs，由狹義相對論，由于，可知μ子的平均壽命大于3.0μs，故B正確；
CD、對地面上的觀測者來說，由可得
則有
s＝0.99×3.0×108×21.28×10﹣6m≈6320m，故C錯誤，D正確。
故選：BD。
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