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DIQIZHANG
第七章
5　相對論時空觀與牛頓
　力學的局限性
1.知道愛因斯坦的兩個假設的內容(重點)。
2.知道時間延緩效應及長度收縮效應結論的內容(重難點)。
3.認識經典力學的局限性和適用范圍。
4.了解相對論、量子力學和經典力學的關系。
學習目標
一、相對論時空觀
二、牛頓力學的成就與局限性
內容索引
相對論時空觀
一
地球繞太陽公轉的速度是3×104 m/s，某實驗室的圓形粒子加速器可以把電子加速到0.999 999 999 987倍光速的速度，請思考：
(1)在狹義相對論中，地球的公轉速度屬于低速還是高速？被加速器加速后的電子的速度屬于低速還是高速？
答案　地球的公轉速度屬于低速，被加速器加速后的電子的速度屬于高速。
(2)在地面上校準的兩只鐘，一只留在地面上，一只隨宇宙飛船遨游太空，隔一段時間飛船返回地面時，兩只鐘顯示的時間相同嗎？有什么差別？
答案　不相同。隨飛船旅行的時鐘變慢。
1.19世紀，物理學家　　　　　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　　　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　　　　　　！這與牛頓力學中不同參考系之間的速度變換關系　　　。
3.愛因斯坦假設
(1)在不同的　　　參考系中，物理規律的形式都是　　　的。
(2)真空中的　　　在不同的慣性參考系中大小都是　　　的。
梳理與總結
麥克斯韋
等于
都是一樣的
不符
慣性
相同
光速
相同
4.相對論時空觀
(1)時間延緩效應
①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同一地
點完成這個動作的時間間隔為Δt，那么兩者之間的關系是Δt=　　　　。
②Δt與Δτ的關系總有Δt　　Δτ(選填“>”“<”或“=”)，即物理過程的快慢(時間進程)跟物體的運動狀態　　　(選填“有關”或“無關”)。
　
>
有關
(2)長度收縮效應
①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=　　　　　　。
②l與l0的關系總有l　　l0(選填“>”“<”或“=”)，即運動物體的長度(空間距離)跟物體的運動狀態　　　(選填“有關”或“無關”)。
l0
<
有關
　設某人在速度為0.5c的飛船上打開一個光源，(c為真空中傳播的光速)則下列說法正確的是
A.飛船正前方地面上的觀察者看到這一光速為1.5c
B.飛船正后方地面上的觀察者看到這一光速為0.5c
C.在垂直飛船前進方向地面上的觀察者看到這一光速是c
D.在地面上任何地方的觀察者看到的光速都是c
例1
√
根據愛因斯坦的光速不變原理可知，在不同的慣性參考系中，光在真空中沿任何方向傳播速度都是c，則觀察者在地面上任何地方和在飛船中觀測光的速度均為c，故選D。
　(2023·南京市高一期中)A、B、C是三個完全相同的時鐘，A放在地面上，B、C分別放在以速度v1和v2朝相反方向飛行的飛行器中，且v1A.A時鐘 B.B時鐘
C.C時鐘 D.無法確定
例2
√
根據公式Δt=可知，時鐘相對于觀察者的速度v越小，其上的時
間進程越快，地面上的時鐘A的速度v=0，它所記錄的兩事件的時間間隔最大，即地面上的時鐘走得最快。故選A。
　(2023·無錫市高一期中)若一列火車以接近光速的速度在高速行駛，車上的人用望遠鏡來觀察地面上的一只排球，其觀察的結果是
A.像一只乒乓球(體積變小)
B.像一只籃球(體積變大)
C.像一只橄欖球(豎直放置)
D.像一只橄欖球(水平放置)
例3
√
根據狹義相對論，以觀察者為參考系，則排球以接近光速的速度反向運動，由長度收縮效應可知，觀察者測得排球水平寬度變短，豎直長度不變，因此觀察的結果是像一只豎直放置的橄欖球。故選C。
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牛頓力學的成就與局限性
二
1.牛頓力學的成就
(1)把天體的運動與地面上物體的運動統一起來，實現了人類對自然界認識的第一次理論大綜合。
(2)在宏觀、低速、弱引力的廣闊區域，包括天體力學的研究中，經受了實踐檢驗，取得了巨大成就。
(3)將“實驗和數學”相結合的方法推廣到物理學的各個分支，形成了完整的經典力學體系。
2.牛頓力學的局限性
(1)物體在以接近光速運動時所遵從的規律，有些是與牛頓力學的結論并不相同的。
(2)在微觀世界中(尺度在10-10 m以下)，由于物質的存在和運動形式(波粒二象性)較宏觀世界，有較大的不同，牛頓力學也不適用。
3.牛頓力學的適用范圍
牛頓力學只適用于低速運動，不適用于高速運動；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界；只適用于弱引力情況，不適用于強引力情況。
4.低速與高速
(1)低速：通常所見物體的運動，如行駛的汽車、發射的導彈、人造地球衛星及宇宙飛船等物體皆為低速運動的物體。
(2)高速：有些微觀粒子在一定條件下其速度可以與光速相接近，這樣的速度稱為高速。
相對論和量子力學是不是否定了牛頓力學？ 說說你的看法。
思考與討論
答案　不是。當物體的運動速度遠小于光速時，相對論與牛頓力學的結論沒有區別；當普朗克常量可以忽略不計時，量子力學和牛頓力學的結論沒有區別。牛頓力學沒有被否定，而是作為某些條件下的特殊情形，被包括在新的科學成就之中。
(1)相對論和量子力學的出現，說明經典力學已失去意義。(　　)
(2)原子中電子的運動能用經典力學進行解釋。(　　)
(3)空氣中灰塵的運動能用經典力學進行解釋。(　　)
(4)牛頓力學只適用于世界上普通的物體，研究天體的運動牛頓力學就無能為力了。(　　)
(5)洲際導彈的速度可達到6 000 m/s，在這種高速運動狀態下，牛頓力學不適用。(　　)
(6)對于質子、電子的運動情況，牛頓力學同樣適用。(　　)
×
×
√
×
×
×
　關于牛頓力學理論，下述說法中正確的是
A.牛頓力學適用于宏觀、低速、弱引力場
B.相對論和量子力學證明了牛頓力學是錯誤和過時的
C.牛頓力學認為時空是相對的
D.牛頓力學可以預言各種尺度下的運動
例4
√
牛頓力學適用于宏觀、低速、弱引力場，A正確；
相對論和量子力學適用于微觀高速粒子的運動，并沒有否定牛頓力學，B錯誤；
牛頓力學中，認為時間和空間都是絕對的，C錯誤；
牛頓力學不適用于微觀、高速情況下的運動，D錯誤。
　(2024·臺州市高一期中)下列物理情景中，經典的牛頓力學不再適用的是
A.電子以接近光的速度運動
B.超音速飛行的殲-20戰機
C.地球繞太陽運動
D.體育課上，被小明同學拋出的籃球
例5
√
牛頓力學適用于宏觀低速運動的物體，對微觀高速運動的粒子不再適用，因此當電子以接近光的速度運動時，牛頓力學不再適用；而超音速飛行的殲-20戰機、地球繞太陽運動以及拋出的籃球都屬于宏觀低速運動的物體，牛頓力學完全適用。故選A。
返回5　相對論時空觀與牛頓力學的局限性
[學習目標]　1.知道愛因斯坦的兩個假設的內容(重點)。2.知道時間延緩效應及長度收縮效應結論的內容(重難點)。3.認識經典力學的局限性和適用范圍。4.了解相對論、量子力學和經典力學的關系。
一、相對論時空觀
地球繞太陽公轉的速度是3×104 m/s，某實驗室的圓形粒子加速器可以把電子加速到0.999 999 999 987倍光速的速度，請思考：
(1)在狹義相對論中，地球的公轉速度屬于低速還是高速？被加速器加速后的電子的速度屬于低速還是高速？
(2)在地面上校準的兩只鐘，一只留在地面上，一只隨宇宙飛船遨游太空，隔一段時間飛船返回地面時，兩只鐘顯示的時間相同嗎？有什么差別？
1.19世紀，物理學家　　　　　　　　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　　　　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　　　　　　　　！這與牛頓力學中不同參考系之間的速度變換關系　　　　。
3.愛因斯坦假設
(1)在不同的　　　　參考系中，物理規律的形式都是　　　　的。
(2)真空中的　　　　在不同的慣性參考系中大小都是　　　　的。
4.相對論時空觀
(1)時間延緩效應
①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同一地點完成這個動作的時間間隔為Δt，那么兩者之間的關系是Δt=　　　　　　　　。
②Δt與Δτ的關系總有Δt　　Δτ(選填“>”“<”或“=”)，即物理過程的快慢(時間進程)跟物體的運動狀態　　　　(選填“有關”或“無關”)。
(2)長度收縮效應
①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=　　　　　　　　　　　　　　。
②l與l0的關系總有l　　l0(選填“>”“<”或“=”)，即運動物體的長度(空間距離)跟物體的運動狀態
　　　　(選填“有關”或“無關”)。
例1　設某人在速度為0.5c的飛船上打開一個光源，(c為真空中傳播的光速)則下列說法正確的是(　　)
A.飛船正前方地面上的觀察者看到這一光速為1.5c
B.飛船正后方地面上的觀察者看到這一光速為0.5c
C.在垂直飛船前進方向地面上的觀察者看到這一光速是c
D.在地面上任何地方的觀察者看到的光速都是c
例2　(2023·南京市高一期中)A、B、C是三個完全相同的時鐘，A放在地面上，B、C分別放在以速度v1和v2朝相反方向飛行的飛行器中，且v1A.A時鐘 B.B時鐘
C.C時鐘 D.無法確定
例3　(2023·無錫市高一期中)若一列火車以接近光速的速度在高速行駛，車上的人用望遠鏡來觀察地面上的一只排球，其觀察的結果是(　　)
A.像一只乒乓球(體積變小)
B.像一只籃球(體積變大)
C.像一只橄欖球(豎直放置)
D.像一只橄欖球(水平放置)
二、牛頓力學的成就與局限性
1.牛頓力學的成就
(1)把天體的運動與地面上物體的運動統一起來，實現了人類對自然界認識的第一次理論大綜合。
(2)在宏觀、低速、弱引力的廣闊區域，包括天體力學的研究中，經受了實踐檢驗，取得了巨大成就。
(3)將“實驗和數學”相結合的方法推廣到物理學的各個分支，形成了完整的經典力學體系。
2.牛頓力學的局限性
(1)物體在以接近光速運動時所遵從的規律，有些是與牛頓力學的結論并不相同的。
(2)在微觀世界中(尺度在10-10 m以下)，由于物質的存在和運動形式(波粒二象性)較宏觀世界，有較大的不同，牛頓力學也不適用。
3.牛頓力學的適用范圍
牛頓力學只適用于低速運動，不適用于高速運動；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界；只適用于弱引力情況，不適用于強引力情況。
4.低速與高速
(1)低速：通常所見物體的運動，如行駛的汽車、發射的導彈、人造地球衛星及宇宙飛船等物體皆為低速運動的物體。
(2)高速：有些微觀粒子在一定條件下其速度可以與光速相接近，這樣的速度稱為高速。
相對論和量子力學是不是否定了牛頓力學？ 說說你的看法。
(1)相對論和量子力學的出現，說明經典力學已失去意義。(　　)
(2)原子中電子的運動能用經典力學進行解釋。(　　)
(3)空氣中灰塵的運動能用經典力學進行解釋。(　　)
(4)牛頓力學只適用于世界上普通的物體，研究天體的運動牛頓力學就無能為力了。(　　)
(5)洲際導彈的速度可達到6 000 m/s，在這種高速運動狀態下，牛頓力學不適用。(　　)
(6)對于質子、電子的運動情況，牛頓力學同樣適用。(　　)
例4　關于牛頓力學理論，下述說法中正確的是(　　)
A.牛頓力學適用于宏觀、低速、弱引力場
B.相對論和量子力學證明了牛頓力學是錯誤和過時的
C.牛頓力學認為時空是相對的
D.牛頓力學可以預言各種尺度下的運動
例5　(2024·臺州市高一期中)下列物理情景中，經典的牛頓力學不再適用的是(　　)
A.電子以接近光的速度運動
B.超音速飛行的殲-20戰機
C.地球繞太陽運動
D.體育課上，被小明同學拋出的籃球
答案精析
一、
(1)地球的公轉速度屬于低速，被加速器加速后的電子的速度屬于高速。
(2)不相同。隨飛船旅行的時鐘變慢。
梳理與總結
1.麥克斯韋　等于
2.都是一樣的　不符
3.(1)慣性　相同　(2)光速　相同
4.(1)①　②>　有關　(2)①l0
②<　有關
例1　D　[根據愛因斯坦的光速不變原理可知，在不同的慣性參考系中，光在真空中沿任何方向傳播速度都是c，則觀察者在地面上任何地方和在飛船中觀測光的速度均為c，故選D。]
例2　A　[根據公式Δt=可知，時鐘相對于觀察者的速度v越小，其上的時間進程越快，地面上的時鐘A的速度v=0，它所記錄的兩事件的時間間隔最大，即地面上的時鐘走得最快。故選A。]
例3　C　[根據狹義相對論，以觀察者為參考系，則排球以接近光速的速度反向運動，由長度收縮效應可知，觀察者測得排球水平寬度變短，豎直長度不變，因此觀察的結果是像一只豎直放置的橄欖球。故選C。]
二、
思考與討論
不是。當物體的運動速度遠小于光速時，相對論與牛頓力學的結論沒有區別；當普朗克常量可以忽略不計時，量子力學和牛頓力學的結論沒有區別。牛頓力學沒有被否定，而是作為某些條件下的特殊情形，被包括在新的科學成就之中。
易錯辨析
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例4　A　[牛頓力學適用于宏觀、低速、弱引力場，A正確；相對論和量子力學適用于微觀高速粒子的運動，并沒有否定牛頓力學，B錯誤；牛頓力學中，認為時間和空間都是絕對的，C錯誤；牛頓力學不適用于微觀、高速情況下的運動，D錯誤。]
例5　A　[牛頓力學適用于宏觀低速運動的物體，對微觀高速運動的粒子不再適用，因此當電子以接近光的速度運動時，牛頓力學不再適用；而超音速飛行的殲-20戰機、地球繞太陽運動以及拋出的籃球都屬于宏觀低速運動的物體，牛頓力學完全適用。故選A。]

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