2020(春)物理 必修 第二册 人教版 (新教材)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

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 ＝Δτ

1－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2

由于1－⎝ ⎛⎭

⎪⎫v c 2<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l 0，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 ＝l 01－⎝ ⎛⎭

⎪⎫v c 2 由于1－⎝ ⎛⎭

⎪⎫v c 2<1，所以总有l

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

[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v b 、v c 向同一方向飞行的两枚火箭上，且v b

A.a

B.b

C.c

D.无法确定 解析 根据公式Δt ＝Δτ

1－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2可知，相对于观察者的速度v 越大，其上的时间

进程越慢，由v c >v b >v a ，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30 m ，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30 m

B.地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 m

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 ＝l 01－⎝ ⎛⎭

⎪⎫v c 2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 ＝Δτ

1－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2，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