7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性（解析版）-2021-2022学年高一物理同步考点专题训练（人教版2019）

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7.5　相对论时空观与牛顿力学的局限性

【学习目标】

1．知道以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围。

2．知道相对论、量子力学和经典力学的关系。

3．通过对牛顿力学适用范围的讨论，使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围，

认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神。

【学习重点】

了解经典力学的局限性

【学习难点】

了解相对论、量子力学与经典力学的关系

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 年的迈克耳孙—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 Δt＞Δτ(填“>”“<”或“＝”)，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＜l0(填“>”“<”或“＝”)，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，有些规律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规律在很多情况下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，当物体的运动速度远小于光速

时，相对论物理学与牛顿力学的

结论没有区别．

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)对于质子、电子的运动情况，经典力学同样适用．(　×　)

知识点一、相对论时空观

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.

【经典例题 1】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.

1．物体静止长度 l0和运动长度 l之间的关系为 l＝l0.

2．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．

【变式训练 1】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

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