7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性-2021-2022学年高中物理同步训练讲义（人教版2019必修第二册）（解析版）

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第七章万有引力与宇宙航行

7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性

【知识梳理】

一、相对论时空观

1.19 世纪，英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了电磁波的存在，并证明电磁波的

传播速度等于光速 c.

2.1887 年迈克耳孙—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

都是一样的！这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符(填“相符”或“不

符”).

3.爱因斯坦假设：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；真空中的光速在

不同的惯性参考系中大小都是相同的.

4.时间延缓效应

(1)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＝.

(2)Δt与Δτ的关系总有 Δ t ＞ Δ τ ，即物理过程的快慢(时间进程)与运动状态有关.(填“有关”

或“无关”)

5.长度收缩效应：

(1)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.

(2)l与l0的关系总有 l ＜ l 0，即运动物体的长度(空间距离)跟物体的运动状态有关.(填“无

关”或“有关”)

二、牛顿力学的成就与局限性

1.牛顿力学的成就：牛顿力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律的建立与应用更是确

立了人们对牛顿力学的尊敬.

2.牛顿力学局限性：牛顿力学的适用范围是低速(填“高速”或“低速”)运动的宏观(填

“宏观”或“微观”)物体.

(1)当物体以接近光速运动时，有些与牛顿力学的结论不相同.

(2)电子、质子、中子等微观粒子的运动不能用牛顿力学来说明.

3.牛顿力学不会被新的科学成就所否定，当物体运动的速度远小于光速

时，相对论物理

学与牛顿力学的结论没有区别.

【基础小练】

1.判断下列说法的正误.

(1)运动的时钟显示的时间变慢，高速飞行的 μ子的寿命变长.(　√　)

(2)沿着杆的方向，相对于观察者运动的杆的长度变短.(　√　)

(3)经典力学只适用于世界上普通的物体，研究天体的运动经典力学就无能为力了.(　×　)

(4)洲际导弹的速度可达到 6 000 m/s，在这种高速运动状态下，经典力学不适用.(　×　)

(5)当物体的速度接近光速时，经典力学就不适用了.(　√　)

(6)对于质子、电子的运动情况，经典力学同样适用.(　×　)

2.以约 8 km/s 的速度运行的飞船上，一只完好的手表走过 1 h，地面上的时钟显示的时间__

______(填“大于”“等于”或“小于”)1 h.

答案　大于

【能力提升】

一、相对论时空观

导学探究

地球绕太阳公转的速度是 3×104 m/s，设在美国伊利诺斯州费米实验室的圆形粒子加速器

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？有什么差别？

答案　(1)地球公转速度属于低速，被加速器加速后的电子的速度属于高速.

(2)不相同，随飞船旅行的时钟变慢(显示的时间少).

知识深化

1.低速与高速

(1)低速：通常所见物体的运动，如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等

物体皆为低速运动物体.

(2)高速：有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近，这样的速度称为高速.

2.相对论的两个效应

(1)时间延缓效应：运动时钟会变慢，即 Δt＝.

(2)长度收缩效应：运动长度会收缩，即 l＝l0.

3.对于低速运动的物体，相对论效应可以忽略不计，一般用经典力学规律来处理；对于高

速运动问题，经典力学不再适用，需要用相对论知识来处理.

在静止坐标系中的正立方体边长为 l0，另一坐标系以相对速度 v平行于正立方体的

一边运动.问在后一坐标系中的观察者测得的立方体的体积是多少？

答案　l03

解析　本题中正立方体相对于另一坐标系以速度 v运动，一条边与运动方向平行，则坐标

系中观察者测得该条边的长度为 l＝l0

测得立方体的体积为 V＝l02l＝l03.

物体静止长度 l0和运动长度 l之间的关系为 l＝l0

相对于地面以速度 v运动的物体，从地面上看：

(1)沿着运动方向上的长度变短了，速度越大，变短得越多.

(2)在垂直于运动方向不发生长度收缩效应现象.

A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，vA＞vB，在地面上的人观察到的

结果正确的是(　　)

A.火箭 A上的时钟走得最快

B.地面上的时钟走得最快

C.火箭 B上的时钟走得最快

D.火箭 B上的时钟走得最慢

答案　B

解析　在地面上的人看来，A、B两火箭都远离自己，由 Δt＝知，地面上的人观察到的结果

为：A、B两火箭上的时钟都变慢了.又vA＞vB，则 A火箭上的时钟走得最慢，地面上的时

钟走得最快，因此 B正确，A、C、D错误.

二、牛顿力学的成就与局限性

导学探究

如图所示，质子束被加速到接近光速，经典力学适用于质子束的运动规律吗？

答案　不适用.

知识深化

1.经典力学的成就

(1)经典力学体系是时代的产物，是现代机械、土木建筑、交通运输以至航空航天技术的理

论基础.

(2)经典力学的思想方法对艺术、政治、哲学等社会科学领域也有巨大影响.

2.经典力学的局限性及适用范围

(1)经典力学适用于低速运动的物体，相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律.

(2)经典力学适用于宏观世界；量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律.

3.相对论和量子力学没有否定经典力学

(1)当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别；

(2)当另一个重要常量即“普朗克常量”可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有

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