5 相对论时空观与牛顿力学的局限性.docx

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5相对论时空观与牛顿力学的局限性

　相对论时空观与牛顿力学的局限性

核心素养目标

物理观念

知道爱因斯坦的两条假设，了解时间延缓效应、长度收缩效应，认识牛顿力学的成就与局限性。

科学思维

知道牛顿力学的适用范围，认识物理学中理论的相对稳定性，要有质疑精神。

科学探究

认识迈克耳孙—莫雷实验对光速不变原理的推动作用，体会实验和理论的相互关系。

知识点一　相对论时空观

1.爱因斯坦假设

（1）在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。

（2）真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。

2.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在同一地点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－

<1，所以总有Δt>Δτ，此种情况称为时间延缓效应。

3.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l＝l0

由于1－

<1，所以总有l

惯性参考系

凡是牛顿运动定律成立的参考系，称为惯性参考系，简称惯性系。

①所有相对于惯性系做匀速直线运动的参考系都是惯性系。

②所有相对于惯性系做变速运动的参考系都是非惯性系。

运动物体的长度（空间距离）和物理过程的快慢（时间进程）都跟物体的运动状态有关。

知识点二　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……所有这些都服从牛顿力学的规律。

2.牛顿力学的局限性

（1）牛顿力学不适用于高速运动。

（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牛顿力学来说明。

3.牛顿力学的适用范围

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。

牛顿力学经历了实验检验，不会被新的科学所否定。

它以某种特殊情形被包含在新的理论之中。

核心要点一　相对论时空观

牛顿力学时空观与相对论时空观比较

比较项目

牛顿力学时空观

相对论时空观

同时

绝对性

相对性

光速

可变（遵循经典速度变换规律）

不变

物理规律

——

在不同惯性参考系中其形式相同

[例1]（多选）关于相对论时空观的说法，正确的是（　　）

A.在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的

B.在一切惯性参考系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关

C.在牛顿力学时空观中认为同时发生的事件，在相对论时空观中也是同时发生的

D.时间和空间是永恒不变的

解析　相对论时空观中，在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，选项A正确；在一切惯性参考系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关，选项B正确；相对论时空观中，时间和空间具有相对性，故选项C、D错误。

答案　AB

[例2]（2019·江西吉安高一月考）如图所示，a、b、c为三个完全相同的时钟，a放在水平地面上，b、c分别放在以速度vb、vc向同一方向飞行的两枚火箭上，且vb

A.aB.b

C.cD.无法确定

解析　根据公式Δt＝

可知，相对于观察者的速度v越大，其上的时间进程越慢，由vc>vb>va，知c钟走得最慢。

答案　C

[例3]如图所示，两艘飞船A、B沿同一直线同向飞行，相对地面的速度均为v（v接近光速c）。

地面上测得它们相距为L，则A测得两飞船间的距离________（选填“大于”“等于”或“小于”）L。

当B向A发出一光信号，A测得该信号的速度为________。

解析　从飞船A测量时飞船B是静止的，从地面上测量时两飞船都是运动的，由相对论的“长度收缩效应”知运动长度要缩短，故从地面测得的飞船间距小。

由光速不变原理知光信号的传播速度与参考系是无关的，故A测得该信号的速度仍为光速c。

答案　大于　c（或光速）

[针对训练1]（2016·江苏高考）一艘太空飞船静止时的长度为30m，他以0.6c（c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（　　）

A.飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30m

B.地球上的观测者测得该飞船的长度小于30m

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

解析　由l＝l0

知A错误，B正确；由相对论时空观的基本假设知光信号的速度都等于c，C、D错误。

答案　B

[针对训练2]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

解析　根据公式Δt＝

，地面上的观察者认为c钟走得最慢，因为它相对观察者的速度最大；b钟比c钟快一些，而a钟最快，因为它的速度最小，选项C正确。

答案　C

核心要点二　对牛顿力学的理解

1.牛顿力学

牛顿力学通常指以牛顿运动定律为核心的矢量力学，有时也泛指描述低速宏观物体机械运动的经典力学体系。

2.发展历程

从亚里士多德和阿基米德的物理学发展到经典力学体系经历了约两千年，经历了以哥白尼、开普勒和伽利略为代表的科学革命。

牛顿在伽利略、笛卡儿、开普勒、惠更斯等人研究的基础上，进行了一次科学的伟大的综合，形成了一个以实验为基础、以数学为表达形式的力学科学体系。

3.牛顿力学的伟大成就

牛顿力学和天文学相结合，建立了天体力学；牛顿力学和工程实际相结合，建立了各种应用力学，如流体力学、材料力学、结构力学等。

所有宏观物体的运动问题，都服从牛顿力学的规律。

4.牛顿力学的局限性

牛顿力学有自身的局限性，它不适用于高速运动，也不适用于微观领域。

在高速运动中，相对论可以描述其运动规律，量子力学可以描述微观粒子的运动规律。

但相对论和量子力学并未否定牛顿力学，只认为牛顿力学是自己在一定条件下的特殊情形。

[例4]下列说法中正确的是（　　）

A.牛顿运动定律就是牛顿力学

B.牛顿力学的基础是牛顿运动定律

C.牛顿运动定律可以解决自然界中的所有问题

D.牛顿力学可以解决自然界中的所有问题

解析　牛顿力学并不等同于牛顿运动定律，牛顿运动定律只是牛顿力学的基础；牛顿力学并非万能，也有其适用范围，并不能解决自然界中的所有问题，没有哪个理论可以解决自然界中的所有问题。

因此只有弄清牛顿运动定律和牛顿力学的隶属关系，明确牛顿力学的适用范围才能正确解答此类问题，选项B正确。

答案　B

[针对训练3]牛顿力学不适用于下列哪些运动（　　）

A.火箭的发射

B.宇宙飞船绕地球的运动

C.“勇气号”宇宙探测器的运行

D.微观粒子的波动性

解析　牛顿力学适用于宏观、低速物体的运动，而研究微观粒子的波动性时牛顿力学不再适用，选项D正确，A、B、C错误。

答案　D

[针对训练4]（多选）关于牛顿力学、相对论和量子力学，下列说法中正确的是（　　）

A.相对论和牛顿力学是相互对立、互不相容的两种理论

B.在物体高速运动时，物体的运动规律适用相对论理论，在低速运动时，物体的运动适用牛顿运动定律

C.牛顿力学适用于宏观物体的运动，量子力学适用于微观粒子的运动

D.不论是宏观物体，还是微观粒子，牛顿力学和量子力学都是适用的

解析　首先必须知道，牛顿力学解决低速宏观问题，高速问题应由相对论理论解决，微观问题应由量子力学解决。

相对论并没有否定牛顿力学，而是认为牛顿力学是相对论理论在一定条件下的特殊情况，故选项A、D错误，B、C正确。

答案　BC

1.（多选）牛顿运动定律适用于下列哪些情况（　　）

A.研究原子中电子的运动

B.研究“嫦娥四号”的高速发射

C.研究地球绕太阳的运动

D.研究飞机从深圳飞往北京的航线

解析　牛顿力学属于经典力学的研究范畴，适用于宏观、低速运动的物体，要注意到低速和高速的标准是相对于光速而言的，则可判定牛顿运动定律适用于B、C、D中描述的运动，而A不适用。

答案　BCD

2.关于牛顿力学和相对论，下列说法正确的是（　　）

A.牛顿力学和相对论是各自独立的学说，互不相容

B.相对论是在否定了牛顿力学的基础上建立起来的

C.相对论和牛顿力学是两种不同的学说，二者没有联系

D.牛顿力学包含于相对论之中，牛顿力学是相对论的特例

解析　人们对客观世界的认识要受到所处时代的客观条件和科学水平的制约，所以形成的看法也都具有一定的局限性，人们只有不断地扩展自己的认识，才能掌握更广阔领域内的不同事物的本质与规律；新的科学的诞生并不意味着对原来科学的全盘否定，只能认为过去的科学是新的科学在一定条件下的特殊情形，选项D正确。

答案　D

3.2017年10月3日，瑞典皇家科学院将2017年诺贝尔物理学奖授予了三位美国科学家，以表彰他们对LIGO探测装置的决定性贡献和探测到引力波的存在。

引力波是爱因斯坦相对论的最后一块缺失的“拼图”，相对论在一定范围内弥补了牛顿力学的局限性。

关于牛顿力学，下列说法正确的是（　　）

A.牛顿力学完全适用于宏观低速运动

B.牛顿力学取得了巨大成就，是普遍适用的

C.随着物理学的发展，牛顿力学将逐渐成为过时的理论

D.由于相对论、量子论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值

解析　牛顿力学完全适用于宏观低速运动的物体，故选项A正确；牛顿力学取得了巨大的成就，但它也具有一定的局限性，并不是普遍适用的，故选项B错误；在微观高速情况下，要用量子力学和相对论来解释，但是并不会因为相对论和量子力学的出现，就否定了牛顿力学，牛顿力学在其适用范围内仍然是正确的，故不会过时也不会失去应用价值，故选项C、D错误。

答案　A

4.（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，下列说法正确的有（　　）

A.飞船上的人观测到飞船上的钟较快

B.飞船上的人观测到飞船上的钟较慢

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　飞船上的人观察钟表时，是以飞船为参考系，看到地球上的钟表在高速运动，观察到地球上的钟慢，即飞船上的钟快，选项A正确，B错误；同理地球上的人是以地球为参考系，观察结果是地球上的钟快，即飞船上的钟慢，选项C正确，D错误。

答案　AC

5.（2019·福建三明高一月考）惯性系S中有一边长为l的正方形，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正方形的图像是（如图所示）（　　）

解析　由l＝l0

可知沿速度方向即x轴方向的长度变短了，而垂直于速度方向即y轴方向的边长不变，故C正确。

答案　C

6.一枚静止时长30m的火箭以0.6c（c为光速）的速度从观察者的身旁掠过，观察者测得火箭的长度为L1，火箭上的人测得火箭的长度为L2，则L1、L2的数值应是（　　）

A.30m，30mB.30m，24m

C.24m，30mD.24m，24m

解析　火箭上的人与火箭相对静止，他测得的数值应为

L2＝30m，而观察者的测量值为L1＝L2

＝30×0.8m＝24m，

选项C正确。

答案　C

7.如图所示，沿平直铁路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

解析　列车上观察者以列车为参考系，铁塔A、B、C按CA方向以接近光速运动，根据光速不变原理，铁塔B发出的闪光向A和C均以光速c传播，而A是远离光线运动，C是向着光线运动，在列车上的观察者看来，光传播到A的距离长一些，传播到C的距离短些，所以光线先传播到C，即铁塔C先被照亮，选项C正确。

答案　C