《人教版物理必修第二册》19-20 第7章 5．相对论时空观与牛顿力学的局限性

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5．相对论时空观与牛顿力学的局限性

【学习素养·明目标】　物理观念：1.认识经典力学的局限性和适用范围.2.

初步了解微观和高速世界中的奇妙现象.3.了解相对论时空观、量子力学和经典

力学的关系．

科学态度与责任感：1.了解经典力学在科学研究和生产技术中的广泛应

用.2.了解科学理论的相对性，体会科学理论是不断发展和完善的．

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．时间和空间的相对性

(1)时间延缓效应

如果相对于地面以速度 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．

(2)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 1－2<1，所以总有 l<l0，此种情况称为长度收缩效应．

3．相对论时空观

Δt＝和 l＝l0表明运动物体的长度(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．它所反映的时空观称作相对论时空观．

二、牛顿力学的成就与局限

1．牛顿力学的局限性

电子、质子、中子等微观粒子，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证明．

2．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．

3．相对论物理学与经典物理学的联系

当物体的运动速度远小于光速 c时(c＝3×108 m/s)，相对论物理学与经典物

理学的结论没有区别；当另一个重要常数即普朗克常量 h可以忽略不计时(h＝

6.63×10－34 J·s)，量子力学和牛顿力学的结论没有区别．相对论与量子力学都

没有否定过去的科学，而只认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形．

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)在经典力学中，位移的测量与参考系的运动情况无关． (√)

(2)在相对论力学中，运动的时钟和静止的时钟快慢相同． (×)

(3)洲际导弹的速度有时可达到 6 000 m/s，这一速度属于相对论中的高速．

(×)

(4)经典力学一般不适用于微观粒子． (√)

(5)对于宏观物体的低速运动问题，相对论、量子力学与经典力学是一致的．

(√)

2．下列物体的运动不能用经典力学描述的是(　　)

A．飞机的飞行　　　　 B．人造卫星的运行

C．小汽车的行驶 D．光子的运动

D　[经典力学适用于低速宏观的物体，A、B、C不符合题意，选项 D符合

题意．]

3．关于经典力学的局限性，下列说法正确的是(　　)

A．火车提速后，有关速度问题不能用经典力学来处理

B．由于经典力学有局限性，所以一般力学问题都用相对论力学来解决

C．经典力学适用于宏观低速运动的物体

D．经典力学只适用于像地球和太阳那样大的宏观物体

C　[经典力学有局限性，经典力学适用于宏观低速运动的物体，但对于一

般力学问题仍能用经典力学来解决，所以即使在火车提速后，有关速度问题仍

能用经典力学来处理，故 A、B错误，C正确；经典力学不仅适用于像地球和

太阳那样大的宏观物体，也适用一般尺寸的宏观物体，故 D错误．故选 C.]

时间与空间的相对性

[要点归纳]

爱因斯坦假设中的主要效应

(1)长度收缩效应：运动长度 l会收缩，即 l＝l0.

(2)时间延缓效应：运动时钟会变慢，即 Δt＝.

【例 1】　地面上长 100 km 的铁路上空有一火箭沿铁路方向以 30 km/s 的

速度掠过，则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少？如果火箭的速度达到

0.6c，则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少？

[解析]　当火箭速度较低时，长度基本不变，还是 100 km.

当火箭的速度达到 0.6c时，由相对论长度公式

l＝l0

代入相应的数据解得 l＝100× km＝80 km.

[答案]　100 km　80 km

由公式 l＝l0知，相对于地面以速度 v运动的物体，从地面上看，沿着运动

方向上的长度变短了，速度越大，变短得越多.,两种情况：

1在垂直于运动方向不发生长度收缩效应现象.

2我们平常观察不到这种长度收缩效应，是因为我们生活在比光速低得多

的低速世界里，长度收缩效应极不明显，即使运动物体的速度达到 v＝30 000

km/s即0.1c，长度收缩效应也只不过是 5% ，因此，在低速运动中，

v≪c，l≈l0，长度收缩效应可忽略不计.

1．A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，vA＞vB，在火箭 A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

A　[在火箭 A上的人看来，地面和火箭 B都高速远离自己，由 Δt＝知，在

火箭 A上的人观察到的结果是地面和火箭 B上的时钟都变慢了，且 vA＞vB，故

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