資源簡介

中小學教育資源及組卷應用平臺
7.5 相對論時空觀與牛頓力學的局限性
學習目標 核心素養
1.了解相對論時空觀，知道時間延緩效應和長度收縮效應. 2.認識牛頓力學的成就、適用范圍及局限性. 3.了解科學理論的相對性，體會科學理論是不斷發展和完善的． 1、物理觀念：相對論時空觀。 2、科學思維：時間延緩效應，長度收縮效應。 3、科學探究：愛因斯坦的假設。 4、科學態度與責任：牛頓力學的成就與局限性。
知識點1 相對論時空觀
1．19世紀，英國物理學家麥克斯韋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等于光速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，光的傳播速度都是一樣的．
3．愛因斯坦假設：在不同的慣性參考系中，物理規律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的．
4．時間延緩效應：完成同一動作，在慣性參考系上的時間間隔Δτ和在地面上的人的時間間隔Δt之間的關系是Δt＝.
由于1－<1，所以總有Δt>Δτ，此種情況稱為時間延緩效應．
5．長度收縮效應：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＝l0.
由于1－<1，所以總有l6．相對論時空觀：運動物體的長度(空間距離)和物理過程的快慢(時間進程)都跟物體的運動狀態有關．
知識點2 牛頓力學的成就與局限性
1．電子、質子、中子等微觀粒子不僅具有粒子性，同時還具有波動性，它們的運動規律在很多情況下不能用經典力學來說明，而量子力學能夠正確地描述微觀粒子的運動規律．
2．經典力學的適用范圍：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．
（2023 南通開學）如圖所示，假設一列火車沿水平軌道接近光速勻速行駛，車廂正中央的光源S發出了一個閃光，車上的人甲和車旁邊的人乙進行觀察，則（　　）
A．甲認為閃光先到達車廂的后壁
B．甲認為閃光先到達車廂的前壁
C．乙認為閃光先到達車廂的后壁
D．乙認為閃光先到達車廂的前壁
【解答】解：AB.車廂中的人認為，車廂是個慣性系，光向前向后傳播的速度相等，光源在車廂中央，閃光同時到達前后兩壁；故AB錯誤；
CD.地面上的人以地面為參考系，光向前向后傳播的速度相等，向前傳播的路程長些，向后傳播的路程短，所以乙認為閃光先到達車廂的后壁，故C正確，D錯誤。
故選：C。
（2022春 青浦區校級期末）中國人已于2021年發射了自己的空間站，以此為平臺可以進行很多科學實驗。若沿運動方向向前發出一束激光，設真空中的光速為c，空間站對地速度為v，則地面上觀察者測得的光速為（　　）
A．c﹣v B．c C．c+v D．無法確定
【解答】解：光速不變原理認為：在不同的慣性參考系中，真空中的光速是相同的，即光在真空中沿任何方向的傳播速度都是相同的。故B正確，ACD錯誤；
故選：B。
（2022春 河西區校級月考）宇宙飛船以速度v相對地面作勻速直線飛行。某一時刻，飛船頭部的宇航員向飛船尾部發出一光訊號，光速為c，經Δt（飛船上的鐘測量）時間后，被尾部接收器收到。由此可知飛船固有長度為（　　）
A．cΔt B．vΔt C． D．
【解答】解：根據光速不變原理，知光以光速c傳播，在飛船參考系中，可得飛船的固有長度L0＝cΔt，故A正確，BCD錯誤；
故選：A。
（2022春 長沙期中）500米口徑的中國天眼（FAST）是世界上已建成的最大的射電望遠鏡，可監測脈沖星，探測引力波的存在。而引力波是實驗驗證愛因斯坦相對論的最后一塊“拼圖”。關于牛頓力學、相對論和量子力學，下列說法正確的是（　　）
A．不論是宏觀物體，還是微觀粒子，牛頓力學都是適用的
B．由于相對論的提出，牛頓力學已經失去了它的應用價值
C．高速運動的μ子壽命變長的現象，既能用相對論時空觀解釋，又能用經典理論解釋
D．牛頓力學適用于研究宏觀物體的低速運動
【解答】解：AD、牛頓力學適用于低速、宏觀的情形，不適用于微觀粒子和高速情形，故A錯誤，D正確；
B、生活中大多都屬于牛頓力學應用的范圍，其價值是無可替代的，所以經典力學具有一定的局限性，但并不是完全沒有了使用價值，故B錯誤；
C、經典理論無法解釋高速運動的μ子壽命變長的現象，只能用相對論時空觀解釋，故C錯誤。
故選：D。
（多選）（2023春 西城區校級期末）μ子是自然界的基本粒子之一，它平均壽命很短容易發生衰變。科學家發現μ子以0.99c甚至更高的速度飛向地球，根據經典理論計算出每秒到達地球的μ子數小于實際觀察到的μ子數。這一現象與經典理論產生了矛盾，用相對論時空觀可以得到很好的解釋，這也成為相對論時空觀的最早證據。
相對論時空觀認為：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完成這個動作的時間間隔為Δt，那么兩者之間的關系是
已知μ子低速運動時的平均壽命是3.0μs。下列說法正確的是（　　）
A．當μ子以0.99c飛行，選擇此μ子作為參考系，則μ子的平均壽命大于3.0μs
B．當μ子以0.99c飛行，以地面為參考系，則μ子的平均壽命大于3.0μs
C．對地面上的觀測者來說，μ子平均飛行的距離大約為900m
D．對地面上的觀測者來說，μ子平均飛行的距離大約為6300m
【解答】解：A、當μ子以0.99c飛行，選擇此μ子作為參考系，由狹義相對論可知，則μ子的平均壽命不變，故A錯誤；
B、當μ子以0.99c飛行，以地面為參考系，Δτ＝3.0μs，由狹義相對論，由于，可知μ子的平均壽命大于3.0μs，故B正確；
CD、對地面上的觀測者來說，由可得
則有
s＝0.99×3.0×108×21.28×10﹣6m≈6320m，故C錯誤，D正確。
故選：BD。
（2022秋 無錫期中）離開地面6km高空存在某μ子源，產生的μ子以0.99c（c為真空中光速）飛向地面。已知μ子的靜止壽命為3.0×10﹣6s。地面能收到該源的μ子，則（　　）
A．高速μ子的壽命大于3.0×10﹣6s
B．高速μ子的壽命等于3.0×10﹣6s
C．μ子參考系下觀察到離地距離大于6km
D．μ子參考系下觀察到離地距離等于6km
【解答】解：AB、根據鐘慢效應可得：
t
由此可知，高速μ子的壽命大于3.0×10﹣6s，故A正確，B錯誤；
CD、根據尺縮效應，則
由此可知，μ子參考系下觀察到離地距離小于6km，故CD錯誤；
故選：A。
（2022春 肥西縣校級期中）關于牛頓力學，下列說法正確的是（　　）
A．牛頓力學無法解決微觀物體的運動問題
B．在不同的參考系中光的傳播速度都相同，這與牛頓力學規律相符
C．物體在以接近光速運動時所遵從的規律是與牛頓力學相符的
D．牛頓力學既適用于宏觀、低速運動問題，又能用于高速運動問題
【解答】解：AD、牛頓力學的適用范圍是宏觀低速的運動問題，對于微觀高速物體的運動無法解決，故A正確，D錯誤；
B、在不同的參考系中光的傳播速度都相同，這與牛頓力學規律不相符，牛頓認為同一物體取不同的參考系，物體的運動的是不同的，故B錯誤；
C、物體在以接近光速運動時所遵從的規律是與愛因斯坦相對論符合的，與牛頓定律不符，故C錯誤；
故選：A。
（2022春 長寧區校級期末）2016年科學家首次宣布探測到引力波，引力波的發現成為以下哪個理論的實驗證據（　　）
A．牛頓運動定律 B．萬有引力定律
C．狹義相對論 D．廣義相對論
【解答】解：在物理學中，引力波是通過波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量。引力波的發現驗證了愛因斯坦的廣義相對論。故ABC錯誤，D正確。
故選：D。
（2022 南京模擬）下列關于狹義相對論的兩個基本假設的說法中正確的是（　　）
A．愛因斯坦相對性原理是狹義相對論的兩個基本假設之一
B．質量增大是狹義相對論的兩個基本假設之一
C．時間延緩是狹義相對論的兩個基本假設之一
D．長度縮短是狹義相對論的兩個基本假設之一
【解答】解：A．狹義相對論的兩個基本假設是愛因斯坦相對性原理和光速不變原理，故A正確；
BCD．相對論中不包括長度縮短、時間延緩和質量增大，是狹義相對論的推論，故BCD錯誤。
故選：A。
（2022秋 如皋市月考）如圖所示，一列火車以速度v相對地面運動。如果地面上的人測得某光源發出的閃光同時到達車廂的前壁后壁，那么按照火車上人的測量，閃光（　　）
A．先到達前壁 B．先到達后壁
C．同時到達前后壁 D．無法確定
【解答】解：地面上的人以地面為參考系，光向前向后傳播的速度相等，某光源發出的閃光同時到達車廂的前壁和后壁，向前傳播的路程與向后傳播的路程相同，由于火車向前運動，所以點光源的到火車的前面的距離小；車廂中的人認為，車廂是個慣性系，光向前向后傳播的速度相等，點光源到火車前面的距離小，閃光先到達前壁，故BCD錯誤、A正確。
故選：A。
（2022春 嘉定區校級期末）下列說法不符合相對論的觀點的是（　　）
A．時間和空間都是絕對的，在任何參考系中一個事件發生的時間和一個物體的長度總不會改變
B．一條沿自身長度方向運動的桿，其長度總比桿靜止時的長度小
C．相對論認為時間和空間與物體的運動狀態有關
D．當物體運動的速度v遠小于c時，“長度收縮”和“時間膨脹”效果可忽略不計
【解答】解：A、時間和空間都是相對的，沒有絕對準確的時間和空間，故A錯誤；
B、由
可知l＜l0，故B正確；
C、狹義相對論的內容是時間和空間都與物質的運動有關，隨著物質運動速度的變化而變化，故C正確；
D、由尺縮效應和鐘慢效應公式可知，當v遠小于c時，尺縮效應和鐘慢效應都可忽略不計，故D正確；
本題選錯誤的，故選：A。
（2022春 楊浦區校級期末）如圖所示，a、b、c為三個完全相同的時鐘，a放在水平地面上，b、c分別放在以速度vb、vc向同一方向飛行的兩枚火箭上，且vb大于vc，則地面上的觀察者認為走得最慢的鐘為（　　）
A．a B．b C．c D．無法確定
【解答】解：根據公式Δt可知，相對于觀察者的速度v越大，其上的時間進程越慢，a放在地面上，在地面上的人看來，a鐘沒有變化。
b、c兩鐘放在兩個火箭上，根據愛因斯坦相對論可知，b、c變慢，由于vb＞vc，b鐘比c鐘更慢，所以a鐘最快，b鐘最慢，故ACD錯誤，B正確。
故選：B。
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7.5 相對論時空觀與牛頓力學的局限性
學習目標 核心素養
1.了解相對論時空觀，知道時間延緩效應和長度收縮效應. 2.認識牛頓力學的成就、適用范圍及局限性. 3.了解科學理論的相對性，體會科學理論是不斷發展和完善的． 1、物理觀念：相對論時空觀。 2、科學思維：時間延緩效應，長度收縮效應。 3、科學探究：愛因斯坦的假設。 4、科學態度與責任：牛頓力學的成就與局限性。
知識點1 相對論時空觀
1．19世紀，英國物理學家麥克斯韋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等于光速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，光的傳播速度都是一樣的．
3．愛因斯坦假設：在不同的慣性參考系中，物理規律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的．
4．時間延緩效應：完成同一動作，在慣性參考系上的時間間隔Δτ和在地面上的人的時間間隔Δt之間的關系是Δt＝.
由于1－<1，所以總有Δt>Δτ，此種情況稱為時間延緩效應．
5．長度收縮效應：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＝l0.
由于1－<1，所以總有l6．相對論時空觀：運動物體的長度(空間距離)和物理過程的快慢(時間進程)都跟物體的運動狀態有關．
知識點2 牛頓力學的成就與局限性
1．電子、質子、中子等微觀粒子不僅具有粒子性，同時還具有波動性，它們的運動規律在很多情況下不能用經典力學來說明，而量子力學能夠正確地描述微觀粒子的運動規律．
2．經典力學的適用范圍：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．
（2023 南通開學）如圖所示，假設一列火車沿水平軌道接近光速勻速行駛，車廂正中央的光源S發出了一個閃光，車上的人甲和車旁邊的人乙進行觀察，則（　　）
A．甲認為閃光先到達車廂的后壁
B．甲認為閃光先到達車廂的前壁
C．乙認為閃光先到達車廂的后壁
D．乙認為閃光先到達車廂的前壁
（2022春 青浦區校級期末）中國人已于2021年發射了自己的空間站，以此為平臺可以進行很多科學實驗。若沿運動方向向前發出一束激光，設真空中的光速為c，空間站對地速度為v，則地面上觀察者測得的光速為（　　）
A．c﹣v B．c C．c+v D．無法確定
（2022春 河西區校級月考）宇宙飛船以速度v相對地面作勻速直線飛行。某一時刻，飛船頭部的宇航員向飛船尾部發出一光訊號，光速為c，經Δt（飛船上的鐘測量）時間后，被尾部接收器收到。由此可知飛船固有長度為（　　）
A．cΔt B．vΔt C． D．
（2022春 長沙期中）500米口徑的中國天眼（FAST）是世界上已建成的最大的射電望遠鏡，可監測脈沖星，探測引力波的存在。而引力波是實驗驗證愛因斯坦相對論的最后一塊“拼圖”。關于牛頓力學、相對論和量子力學，下列說法正確的是（　　）
A．不論是宏觀物體，還是微觀粒子，牛頓力學都是適用的
B．由于相對論的提出，牛頓力學已經失去了它的應用價值
C．高速運動的μ子壽命變長的現象，既能用相對論時空觀解釋，又能用經典理論解釋
D．牛頓力學適用于研究宏觀物體的低速運動
（多選）（2023春 西城區校級期末）μ子是自然界的基本粒子之一，它平均壽命很短容易發生衰變。科學家發現μ子以0.99c甚至更高的速度飛向地球，根據經典理論計算出每秒到達地球的μ子數小于實際觀察到的μ子數。這一現象與經典理論產生了矛盾，用相對論時空觀可以得到很好的解釋，這也成為相對論時空觀的最早證據。
相對論時空觀認為：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完成這個動作的時間間隔為Δt，那么兩者之間的關系是
已知μ子低速運動時的平均壽命是3.0μs。下列說法正確的是（　　）
A．當μ子以0.99c飛行，選擇此μ子作為參考系，則μ子的平均壽命大于3.0μs
B．當μ子以0.99c飛行，以地面為參考系，則μ子的平均壽命大于3.0μs
C．對地面上的觀測者來說，μ子平均飛行的距離大約為900m
D．對地面上的觀測者來說，μ子平均飛行的距離大約為6300m
（2022秋 無錫期中）離開地面6km高空存在某μ子源，產生的μ子以0.99c（c為真空中光速）飛向地面。已知μ子的靜止壽命為3.0×10﹣6s。地面能收到該源的μ子，則（　　）
A．高速μ子的壽命大于3.0×10﹣6s
B．高速μ子的壽命等于3.0×10﹣6s
C．μ子參考系下觀察到離地距離大于6km
D．μ子參考系下觀察到離地距離等于6km
（2022春 肥西縣校級期中）關于牛頓力學，下列說法正確的是（　　）
A．牛頓力學無法解決微觀物體的運動問題
B．在不同的參考系中光的傳播速度都相同，這與牛頓力學規律相符
C．物體在以接近光速運動時所遵從的規律是與牛頓力學相符的
D．牛頓力學既適用于宏觀、低速運動問題，又能用于高速運動問題
（2022春 長寧區校級期末）2016年科學家首次宣布探測到引力波，引力波的發現成為以下哪個理論的實驗證據（　　）
A．牛頓運動定律 B．萬有引力定律
C．狹義相對論 D．廣義相對論
（2022 南京模擬）下列關于狹義相對論的兩個基本假設的說法中正確的是（　　）
A．愛因斯坦相對性原理是狹義相對論的兩個基本假設之一
B．質量增大是狹義相對論的兩個基本假設之一
C．時間延緩是狹義相對論的兩個基本假設之一
D．長度縮短是狹義相對論的兩個基本假設之一
（2022秋 如皋市月考）如圖所示，一列火車以速度v相對地面運動。如果地面上的人測得某光源發出的閃光同時到達車廂的前壁后壁，那么按照火車上人的測量，閃光（　　）
A．先到達前壁 B．先到達后壁
C．同時到達前后壁 D．無法確定
（2022春 嘉定區校級期末）下列說法不符合相對論的觀點的是（　　）
A．時間和空間都是絕對的，在任何參考系中一個事件發生的時間和一個物體的長度總不會改變
B．一條沿自身長度方向運動的桿，其長度總比桿靜止時的長度小
C．相對論認為時間和空間與物體的運動狀態有關
D．當物體運動的速度v遠小于c時，“長度收縮”和“時間膨脹”效果可忽略不計
（2022春 楊浦區校級期末）如圖所示，a、b、c為三個完全相同的時鐘，a放在水平地面上，b、c分別放在以速度vb、vc向同一方向飛行的兩枚火箭上，且vb大于vc，則地面上的觀察者認為走得最慢的鐘為（　　）
A．a B．b C．c D．無法確定
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