新教材高中物理 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课件 新人教版必修第二册
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， Δτ
那么两者之间的关系是 Δt＝ 由于 1－vc2<1，所以总有
Δ1t>－Δτvc，2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
【例 1】 在狭义相对论中，下列说法中正确的是( ) A．经典物理学可视为相对论在低速运动时的特例 B．真空中光速在不同的惯性参考系中是不相同的 C．在高速运动情况下，惯性参考系中的物理规律不一定相 同 D．狭义相对论全面否定了经典物理学
【解析】 相对论的出现，并没有否定经典物理学，经典物 理学是相对论在低速运动条件下的特殊情形，故 A 正确，D 错 误；根据狭义相对论的光速不变原理，真空中光速在不同的惯性 参考系中是相同的，故 B 错误；根据狭义相对论的相对性原理， 物理规律在所有惯性系中都具有相同的形式，故 C 错误．故选 A.
知识点一 相对论时空观 阅读教材第 65～67 页“相对论时空观”部分． 1．经典相对性原理： 表述一：力学规律在任何 惯性系 中都是相同的． 表述二：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判 断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做 匀速直线 运动． 表述三：任何惯性系都是 平权 的．
2．狭义相对论的两个基本假设：
提示：(1)我们通常选大地是惯性参考系，相对于地面静止 或做匀速运动的物体都是惯性参考系；相对于地面做变速运动的 物体都是非惯性参考系．
(2)运动的时钟变慢是在两个不同的惯性系中进行时间比较 的一种效应，不是因为时钟的结构或精度因运动而发生了改变．
(3)①惯性系：如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这 个参考系叫作惯性系，相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个 参考系也是惯性系．
(2)运动的时钟变慢：时钟相对于观察者静止时，走得快；相对于
观察者运动时，观察者会看到它变慢了，运动速度越快，效果越明显，
即运动着的时钟变慢了．Δt＝
1Δ－τ vc2.其中 Δt 为地面观察者测得的
时间间隔，Δτ 为相对观察者静止时测得的时间间隔．
(3)不是．当 v→c 时，时间延缓效应显著；当 v≪c 时，时间延缓 效应可忽略．
)
像一切科学一样，牛顿力学没有也不会穷尽一切真理，它也 有自己的局限性．它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交 响曲”．
学习任务一 经典相对性原理与狭义相对性原理
探究点 1 经典相对性原理 (1)如何判断一个参考系是惯性参考系还是非惯性参考系？ (2)运动的时钟变慢是不是因为时钟的构造因运动而发生了 改变？ (3)如何理解经典相对性原理？
变式训练 3 世界上各式各样的钟：砂钟、电钟、机械钟、 光钟和生物钟．既然运动可以使某一种钟变慢，它一定会使所有 的钟都一样变慢．这种说法是( )
【知识辨析】
(1)牛顿运动定律在任何情况下都成立．( × ) (2)狭义相对论的两个基本假设仅仅是猜想而己，没有任何 依据．( × ) (3)相对性原理能简单而自然地解释电磁学的问题．( × ) (4)在真空中，若物体以速度 v 背离光源运动，则光相对物 体的速度为 c－v.( × ) (5)在狭义相对论中，同一物理过程发生的位移和对应时间 的测量结果在不同的参考系中是不同的．( √ ) (6)一切惯性参考系中，测得的真空中的光速 c 是相同的．( √
(3)应用“尺缩效应公式”或“时间延缓效应公式”进行计 算．
【例 2】 长度测量与被测物体相对于观察者的运动有关， 物体在运动方向上长度缩短了．一艘宇宙飞船的船身长为 L0＝9 0 m，相对地面以 v＝0.8c 的速度从一观测站的上空飞过．
(1)观测站测得飞船的船身通过观测站的时间间隔是多少？ (2)宇航员测得船身通过观测站的时间间隔是多少？
【解析】 (1)观测站测得船身的长度为：L＝L0
0 1－0.82 m＝54 m， 通过观测站的时间间隔为：
1－vc22＝9
Δt＝Lv＝504.8mc ＝2.25×10－7 s. (2)宇航员测得飞船船身通过观测站的时间间隔为：
Δt′＝Lv0＝900.8mc ＝3.75×10－7 s. 【答案】 (1)2.25×10－7 s (2)3.75×10－7 s
l＝ l0 1－vc2 由于 1－vc2<1，所以总有 l<l0，此种情况称为长度收缩效应．
牛顿运动定律能够成立的参考系，相对于某一个惯性系做匀 速直线运动的另一个参考系，也是惯性系．
图解：
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
牛顿运动定律 的正确性和牛顿力学的魅力．
2.牛顿力学的局限性 (1)19 世纪末和 20 世纪初，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．
(2)20 世纪 20 年代， 量子力学 建立了，它能够很好地描述 微观粒子 运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用．
3．牛顿力学与相对论的关系 (1)当物体的运动速度 远小 于光速 c 时(c＝3×108 m/s)，相 对论物理学与牛顿力学的结论没有 区别；
(2)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．
(3)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．
经典力学时空观的几个具体结论： ①同时的绝对性：在一个参考系中的观察者在某一时刻观测 到两个事件，对另一参考系中的观察者来说是同时发生的，即同 时性与观察者做匀速直线运动的状态无关． ②时间间隔的绝对性：任何事件所经历的时间，在不同的参 考系中测量都是相同的，而与参考系的运动无关． ③空间距离的绝对性：如果各个参考系中用来测量长度的标 准相同，那么空间两点的距离也就有绝对不变的量值，而与参考 系的选择无关． 相对论时空观：空间的大小、时间流逝的快慢都与物体运动 的速度有关．
【答案】 A
变式训练 1 (多选)通常我们把地球和相对地面静止或匀速 运动的物体都可看成是惯性系，若以下列系统为参考系，则其中
属于非惯性系的有( ) A．停在地面上的汽车 B．绕地球做匀速圆周运动的飞船 C．在大海上匀速直线航行的轮船 D．进站时减速行驶的火车
解析：相对地面静止或做匀速运动的物体都可以看成是惯性 系，题中所给的四个对象，绕地球做匀速圆周运动的飞船的运动 为变加速曲线运动，进站减速的火车的运动为变减速运动．
答案：BD
变式训练 2
如图所示，思考以下几个问题：(光速用 c 表示) (1)若参考系 O′相对于参考系 O 静止，人看到的光速应是 多少？ (2)若参考系 O′相对于参考系 O 以速度 v 向右运动，人看 到的光速应是多少？
解析：根据狭义相对论的光速不变原理：真空中的光速在不 同的惯性参考系中都是相同的，光速与光源、观察者间的相对运 动没有关系．因此两种情况下，人观察到的光速都是 c.
答案：(1)c (2)c
学习任务二 时间延缓效应和长度收缩效应的理解
探究点 1 “同时”的相对性、时间间隔的相对性 (1)怎样理解“同时”的相对性？ (2)怎样理解时间间隔的相对性？ (3)以任何速度运动时间延缓效应都很显著吗？
提示：(1)“同时”是指两个事件发生的时刻是相同的，“相同”
是观察者得出的结论，不同的观察者观察到的结果是不相同的．
阅读教材第 68 页“牛顿力学的成就与局限性”部分．
1．牛顿力学的成就 (1)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)牛顿力学在如此广阔的领域里与实际相 符合 ，显示了
(2)狭义相对论的相对性原理：力学规律对惯性系来说都是 相同的，但是光速是不变的．光速的大小与选取的参考系无关， 在任何情况下，真空中的光速都是 c.
(3)光速不变原理． ①真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的． ②迈克耳孙——莫雷实验证明光速不变原理是正确的．
2．对狭义相对论两个基本原理的理解： (1)物理规律不仅包括力学规律，还包括电磁学规律等其他 所有的物理学规律． (2)真空中的光速不变指光的速度大小既不依赖于光源或观 察者的运动而改变，也不依赖于光的传播方向的改变而改变． (3)几十年来科学家采用各种先进的物理技术测量光速，结 果都不违背光速不变原理． (4)到目前为止，狭义相对论的两个基本假设的所有推论都 与事实相符，证实了它们的正确性．
②这里的力学规律是指“经典力学规律”． ③本原理可以有不同表示，比如，在一个惯性系内进行的任 何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做 匀速直线运动；或者说，任何惯性参考系都是平权的．
探究点 2 狭义相对论的两个基本假设 (1)光速不变已经被实验证实，为何仍叫“假设”呢？ (2)如何理解光速不变原理？ (3)伽利略的相对性原理与狭义相对性原理有什么不同？
(3)伽利略的相对性原理认为力学规律在任何惯性系中是相同的； 狭义相对性原理认为在不同惯性系中一切物理规律都是相同的．
1．经典相对性原理与狭义相对论的相对性原理： (1)经典相对性原理的三种表述． ①力学规律在任何惯性系中都是相同的． ②在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这 个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动． ③任何惯性参考系都是平权的．
提示：(1)虽然实验表明了假设所说的内容，但这终归是有限的几 次实验．只有从这两个假设出发，经过逻辑推理(包括数学推导)所提 出的大量结论都与事实相符时，它们才能成为真正意义上的原理．
7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 (人教版新教材)高中物理必修二第七章【知识点+练习】
第七章 万有引力与宇宙航行5 相对论时空观与牛顿力学的局限性知识点一 经典力学的局限性一、从低速到高速1．低速与高速的概念．2．经典力学的基础是牛顿运动规律，牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域，包括天体力学的研究中，经受了实践的检验，取得了巨大的成就．3．狭义相对论阐述的是物体以接近光的速度运动时所遵从的规律．4．在经典力学中，物体的质量是不变的，而狭义相对论指出，质量要随物体运动速度的增大而增大，即m ＝m 01－⎝⎛⎭⎫v c 2，两者在速度远小于光速的条件下是统一的． 5．经典力学认为位移和时间的测量与参考系无关，相对论认为，统一过程的位移和时间的测量与参考系有关，在不同的参考系中测量结果不同，随着速度增加，时间会变短，长度会变短，t=t 01-(v c )2，l=l 01-(v c)2． 二、从宏观到微观1．电子、质子、中子等微观粒子不仅有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明，而量子力学能够正确地描述微观粒子的运动规律．2．经典力学的适用范围：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．三、从弱引力到强引力1．弱引力与强引力．(1)每一个天体都有一个引力半径，半径的大小由天体的质量决定．(2)当天体间的距离远大于引力半径时，它们间的引力就是弱引力．(3)当天体间的距离远小于引力半径时，它们间的引力就是强引力．2．经典力学与行星轨道的矛盾．按照牛顿的万有引力理论，行星应该沿着一些椭圆轨道做周期性运动，而天文观测表明，行星的轨道并不是严格闭合的，它们的近日点在不断地旋进，如水星的运动． 实际观测到的水星的运动情况与爱因斯坦广义相对论的计算结果吻合得很好．②“普朗克常量”(6.63×10－34J·s)可以忽略不计时.(2)相对论和量子力学都没有否定经典力学，经典力学是相对论、量子力学的特殊情况随堂练习1．下列说法中正确的是( )A ．经典力学适用于任何情况下的任何物体B ．狭义相对论否定了经典力学C ．量子力学能够描述微观粒子运动的规律性D ．万有引力定律也适用于强相互作用力2．(多选)20世纪以来，人们发现了一些新的事实，而经典力学却无法解释．经典力学只适用于解决物体的低速运动问题，不能用来处理高速运动问题；只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子，这说明( )A ．随着认识的发展，经典力学已成了过时的理论B ．人们对客观事物的具体认识在广度上是有局限性的C ．不同领域的事物各有其本质与规律D ．人类已掌握不同事物的本质3．对于公式m ＝m 01－⎝⎛⎭⎫v c 2，下列说法中正确的是( ) A ．公式中的m 0，是物体以速度v 运动时的质量B ．当物体运动速度v >0时，物体的质量m >m 0，即物体的质量改变了，故经典力学不适用C ．当物体以较小的速度运动时，质量变化十分微小，经典力学理论仍然适用，只有当物体以接近光速运动时，质量变化才明显，故经典力学仅适用于低速运动，而不适用于高速运动D ．通常由于物体的速度太小，质量的变化不能引起我们的感觉，在分析地球上物体的运动时，不必考虑质量变化4．日常生活中，我们并没发现物体的质量随物体运动的速度变化而变化．其原因是( )A ．运动中物体无法称量质量B ．物体的速度远小于光速，质量变化极小C ．物体的质量太大D ．物体的质量不随速度的变化而变化5．(多选)下列现象中能用牛顿的经典力学解释的是( )A ．高速公路上行驶的汽车B ．空气中下落的雨滴C ．原子核外电子绕核的转动D ．空气中漂浮的肥皂泡6．如图所示，强强乘坐速度为0.9c (c 为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c ，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为( )A ．0.4cB ．0.5cC ．0.9cD ．1.0c第七章万有引力与宇宙航行5 相对论时空观与牛顿力学的局限性1.C2.BC3.C4.B5、答案：ABD解析：经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界．高速公路上行驶的汽车、空气中下落的雨滴、空气中漂浮的肥皂泡都属于宏观、低速范畴，经典力学适用，A、B、D对．原子核外电子绕核的转动属于微观现象，经典力学不适用，C错．6、答案：D解析：根据光速不变原理，在一切惯性参考系中测量到真空中的光速c都一样，而壮壮所处参考系即为惯性参考系，因此壮壮观察到的光速为1.0c，选项D正确．。
2024春高中物理第七章万有引力与宇宙航行5相对论时空观与牛顿力学的局限性课件新人教版必修第二册
发展的历史
的建立及对人类认识世界的作用
知识导图
课前 ·自主预习
相对论时空观
1．牛顿力学时空观 河水相对岸的速度为v水岸，船相对水的速度为v船水，则船相对岸的 速度为__v_船_岸__＝__v_船_水_＋__v__水_岸__． 2．相对论时空观 (1)光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是 ___相__同___的．
参考系变化了，光速是否会变化？ 【答案】不变．
假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，车内站立着一个
中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是 ( )
A．这个人是一个矮胖子 B．这个人是一个瘦高个子
C．这个人矮但不胖
D．这个人瘦但不高
【答案】D
【解析】根据长度的相对性，相对运动方向长度减小，垂直于运动
(2)时间延缓效应：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，而地面上的人观察
Δτ 到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt，则Δt＝____1_－__vc__2_.
(3)长度收缩效应：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，则l＝____1_－___vc_2__.
B．相对论与量子力学的出现否定了经典力学，表示经典力学已失
去意义
C．经典力学并不等于牛顿运动定律，牛顿运动定律只是经典力学
的基础
D．经典力学在现代广泛应用，它的正确性无可怀疑，仍是普遍适
用的
【答案】C 【解析】经典力学具有一定的局限性，只能适用于宏观、低速运动 的物体，而对于微观、高速运动的物体则不适用，并不具有普遍性，A、 D错误；相对论与量子力学的出现并未否定经典力学，而是补充了经典 力学的不足，它们并不能替代经典力学的地位，B错误；经典力学并不 等于牛顿运动定律，牛顿运动定律只是经典力学的基础，C正确．
新教材高中物理第七章万有引力与宇宙航行第5节相对论时空观与牛顿力学的局限性课件新人教版必修第二册
4．一枚静止时长 30 m 的火箭以 0.6c 的速度从观察者的身边掠 过，则火箭上的人测得火箭的长度为多少？观察者测得火箭的 长度为多少？ 解析：一枚静止时长 30 m 的火箭以 0.6c 的速度从观察者的身 边掠过，根据狭义相对论得火箭上的人测得火箭的长度为 30 m. 根据长度的相对性 L＝L0 1－vc22得观察者测得火箭的长度为 L ＝24 m.
1 ． (2019·重 庆 万 州 期 中 ) 经 典 力 学 不 能 适 用 于 下 列 哪 些 运 动 () A．火箭的发射 B．宇宙飞船绕地球的运动 C．宇宙探测器在太空的运动 D．电子的波动性 解析：选 D.经典力学只适用于宏观低速物体，而不适用于微观 高速粒子的运动，则经典力学不适用于电子的波动性，故选 D.
解析：选 D.根据爱因斯坦相对论，在任何参考系中，光速不变， 即光速不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变．所以 壮壮观测到该光束的传播速度为 c，所以 A、B、C 错误，D 正 确．
3．一高速列车通过洞口为圆形的隧道，列车上的司机对隧道的 观察结果为( ) A．洞口为椭圆形，长度变短 B．洞口为圆形、长度不变 C．洞口为椭圆形、长度不变 D．洞口为圆形，长度变短 解析：选 D.根据尺缩效应，在尺子长度方向上运动的尺子比静 止的尺子短．所以高速列车通过洞口为圆形的隧道时，列车上 的司机仍然会观察到圆形的洞口，但是观察到的隧道的长度变 短，故选 D.
思维辨析 (1)洲际导弹的速度有时可达到 6 000 m/s，此速度在相对论中属 于高速．( ) (2)时间间隔和长度在任何时候都不会变．( ) (3) 对 于 高 速 运 动 的 物 体 ， 它 的 长 度 随 着 速 度 的 增 大 而 减 小．( ) (4)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．( ) 提示：(1)× (2)× (3)√ (4)√
新教材高中物理第七章万有引力与宇宙航行第5节相对论时空观与牛顿力学的局限性训练(含解析)新人教版必修
第5节相对论时空观与牛顿力学的局限性1.(多选))A．在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的B．在不同的惯性参考系中，力学规律都一样，电磁规律不一样C．真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的D．真空中的光速在不同的惯性参考系中是有差别的2．(多选)设某人在速度为c的飞船上，打开一个光源，则下列说法正确的是( ) A．飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为cB．飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为cC．在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是cD．在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c3．假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是( )A．这个人是一个矮胖子 B．这个人是一个瘦高个子C．这个人矮但不胖 D．这个人瘦但不高4．一高速列车在通过洞口为圆形的隧道，列车上的司机对隧道的观察结果为( ) A．洞口为椭圆形，长度变短B．洞口为圆形，长度不变C．洞口为椭圆形，长度不变D．洞口为圆形，长度变短5.A．经典力学揭示的自然界的运动规律，是不正确的B．经典力学的时空观符合我们周围的客观事实，是完全正确的C．经典力学只适用于宏观低速现象D．经典力学既然有误，就不能再用来解决我们日常生活中的问题了6．牛顿把天体运动与地上物体的运动统一起来，创立了经典力学．随着近代物理学的发展，科学实验发现了许多经典力学无法解释的事实，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7．对于时空观的认识，下列说法正确的是( )A．相对论给出了物体在低速运动时所遵循的规律B．相对论具有普遍性，经典物理学为它在低速运动时的特例C．相对论的出现使经典物理学在自己的适用范围内不再继续发挥作用D．经典物理学建立在实验的基础上，它的结论又受到无数次实验的检验，因此在任何情况下都适用8．关于经典力学，下列说法正确的是( )A．经典力学完全适用于宏观、低速运动B．经典力学取得了巨大成就，是普遍适用的C．随着物理学的发展，经典力学将逐渐成为过时的理论D．由于相对论、量子力学的提出，经典力学已经失去了它的应用价值关键能力综合练进阶训练第二层一、单选题1．在地面附近有一高速飞行的火箭，关于地面上的观察者和火箭中的工作人员观察到的现象，下列说法正确的是( )A．地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变慢了B．地面上的人观察到火箭变长了，火箭上的时间进程变慢了C．火箭中的工作人员观察到火箭的长度不变而时间进程却变化了D．地面上的人观察到火箭变长了，火箭上的时间进程变快了2．如图所示，竖直墙上挂着一个时钟，地面上的静止的观察者A观察到钟的面积为S，另一观察者B以c的速度平行于y轴沿正方向运动，观察到钟的面积为S′.则S和S′的大小关系是( )A．S>S′ B．S＝S′C．S<S′ D．无法判断S中有一边长为l的正方形(如图A所示)，从相对S系沿x方向接近光速匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图像是( )4．如图所示，假设一根10 m长的梭镖以光速穿过一根10 m长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的．以下叙述中最好地描述了梭镖穿过管子的情况的是( ) A．梭镖收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它B．管子收缩变短，因此在某些位置上，梭镖从管子的两端伸出来C．两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管子恰好遮住梭镖D．所有这些都与观察者的运动情况有关二、多选题5．下列说法正确的是( )A．在以11 000c竖直上升的火箭上向前发出的光，对地速度一定比c大B．在以11 000c竖直上升的火箭上向前发出的光，对地速度一定比c小C．在以11 000c竖直上升的火箭上沿水平方向发出的光对地速度为cD．在以11 000c竖直上升的火箭上向任一方向发出的光对地速度都为c 6．有两辆较长的火车A和B，火车A静止不动，A的中央有一个光源，在某时刻发出一个闪光．此时火车B正以一较大的速度在平行于火车A的轨道上匀速运动，如图所示．关于火车A和火车B上的观察者观察到的现象，下列说法正确的是( )A．火车A上的观察者看到闪光先到达火车A的前壁B．火车A上的观察者看到闪光同时到达火车A的前、后壁C．火车B上的观察者看到闪光不同时到达火车A的前、后壁D．火车B上的观察者看到闪光同时到达火车A的前、后壁学科素养升级练进阶训练第三层1．如图所示，A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上，B、C分别放在以速度v B 和v C朝同一方向飞行的两枚火箭上，且v B<v C.地面上的观察者认为哪个时钟走得最慢？哪个时钟走得最快？2．半人马座α星是离太阳系最近的恒星，它距地球4.3×1016 m．设有一宇宙飞船自地球往返于半人马座α星之间．若宇宙飞船的速度为c，按地球上的时钟计算，飞船往返一次需多少时间？若以飞船上的时钟计算，往返一次需要的时间又是多少？第5节 相对论时空观与牛顿力学的局限性必备知识基础练1．答案：AC解析：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，故A 、C 正确．2．答案：CD解析：根据爱因斯坦相对论时空观的两个假设之一：光速不变原理可知，观察者在地面上、飞船中观测光的速度均为c ，故C 、D 正确，A 、B 错误．3．答案：D解析：根据长度的相对性，相对运动方向上的长度减小，垂直于运动方向上的长度不变，所以这个人瘦但不高，D 正确．4．答案：D解析：根据长度的相对性，运动长度为l ＝l 01－v 2c2，故在运动方向上由于有“尺缩效应”，隧道长度变短；而在垂直运动方向上，没有“尺缩效应”，故洞口依然为圆形，故选D.5．答案：C解析：经典力学适用于低速、宏观世界，相对论适用于高速、微观世界．日常生活中经典力学是适用的．6．答案：C解析：火车提速后的速度仍然远小于光速，有关速度问题仍然能用经典力学来处理，故A 错误；相对论并没有否定经典力学，而是在其基础上发展起来的，有各自适用范围，经典力学是狭义相对论在低速(v ≪c )条件下的近似，因此经典力学包含于相对论之中，经典力学是相对论的特例，故B 错误；经典力学适用于宏观、低速运动的物体，不仅仅适用于像地球和太阳那样大的宏观物体，像乒乓球、篮球、飞鸟等也可以使用，故C 正确，D 错误．7．答案：B解析：相对论给出了物体在高速运动时所遵循的规律，经典物理学是低速运动时的特例，但经典物理学有简洁的优势，还将在自己的适用范围内继续发挥作用．故A 、C 、D 错误，B 正确．8．答案：A解析：经典力学完全适用于宏观、低速运动的物体，宏观物体是相对于微观粒子而言的，故A 正确；经典力学取得了巨大的成就，但它也具有一定的局限性，并不是普遍适用的，故B 错误；在微观高速情况下，要用量子力学和相对论来解释，但是并不会因为相对论和量子力学的出现，就否定了经典力学，经典力学在其适用范围内仍然是正确的，不会过时，也不会失去应用价值，故C 、D 错误．关键能力综合练1．答案：A解析：根据狭义相对论的“尺缩效应”和“钟慢效应”可判断选项A 正确．2．答案：A解析：观察者B 以c 的速度平行于y 轴沿正方向运动，根据尺缩效应，观察到钟的面积为S ′<S ，选项A 正确．3．答案：C解析：由l ＝l 01－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2可知沿速度方向即x 方向的长度变短了，而垂直于速度方向，即y 轴上的边长不变，故C 对．4．答案：D解析：如果你是在相对于管子静止的参考系中观察运动着的梭镖，那么梭镖看起来就比管子短，在某些位置梭镖会完全处在管子内部．然而当你和梭镖一起运动时，你看到的管子就缩短了，所以在某些位置，你可以看到梭镖两端都伸出管子．如果你在梭镖和管子之间运动，运动的速度在梭镖和管子的方向上，且大小是其一半，那么梭镖和管子都相对于你运动，且速度大小一样，你看到这两样东西都缩短了，且缩短量相同．所以你看到的一切都是相对的——依赖于你的参考系．故选D.5．答案：CD解析：根据狭义相对论的基本假设——光速不变原理可知：真空中的光速相对于火箭的速度为c ，相对于地面的速度也为c ，即对不同的惯性参考系光速是相同的，因此C 、D 正确，A 、B 错误．6．答案：BC解析：由于火车A 静止，光源发出的光传播到前、后壁的距离相同，所以火车A 上的观察者看到闪光同时到达火车A 的前、后壁，选项A 错误，B 正确；火车B 上的观察者感到火车A 的前、后壁到光源的距离不同，而光速不变，所以火车B 上的观察者看到闪光不同时到达火车A 的前、后壁，选项D 错误，C 正确．学科素养升级练1．答案：地面上的观察者认为时钟C 走得最慢，地面上的钟A 走得最快．解析：地面上的观察者认为C 钟走得最慢，因为它相对于观察者的速度最大．根据公式Δt ＝Δτ1－⎝ ⎛⎭⎪⎫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．地面上的钟v ＝0，它所记录的两事件的时间间隔最大，即地面上的钟走得最快．2．答案：2.87×108 s 1.28×107s解析：以地球上的时钟计算，则 Δt ＝s v ＝2×4.3×10160.999×3×108 s≈2.87×108 s 若以飞船上的时钟计算，则Δτ＝Δt 1－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2＝2.87×108×错误! s≈1.28×107 s。
人教版(新教材)高中物理必修2优质课件1： 7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性
一列火车以接近光速从我们身边飞驶而过，我们测得车 厢变短了，车窗变窄了，但是高度没有变化。车上人却 认为车上一切如常。
牛顿力学成就和局限性
宏观低速 高速运动物体
微观世界
牛顿力学体系 相对论 量子论
应用探究 1.如图所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的 壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则 壮壮观测到该光束的传播速度为____D__(填写选项前的字母)。
第七章 万有引力与宇宙航行
5.相对论时空观与牛顿力学的局限性
情境导入
双生子佯谬：有一对双 生兄弟，其中一个跨上 宇宙飞船做长时间宇宙 飞行，而另一个留在地 球。结果当旅行者回到 地球后，发现他比留在 地球的兄弟更年轻.
知识海洋
狭义相对论的两个基本假设
想一想：如果手枪相对于地面有初速度v，相对于手
quality
precisely yesterday perishes tomorrow which person of the body implored.）
3、觉得为时已晚的时候，恰恰是最早的时候。（Thought is already is late, exactly is the
时间的相对性： t
1
v c
2
动钟变慢
长度的相对性：l l0
1
v c
2
动尺缩短
1. 读书在于造成完全的人格。——培根 2. 登高而招，臂非加长也，而见者远；顺风而呼，声非加疾也，而闻者彰。——《荀子·劝学》 3. 知识永远战胜愚昧 4. 人生最大的喜悦是每个人都说你做不到，你却完成它了! 5. 一本新书象一艘船，带领我们从狭隘的地方，驰向无限广阔的生活的海洋。——凯勒 6. 只要功夫深，铁杵磨成绣花针。 7. 莫等闲，白了少年头，空悲切。 ——岳飞 8. 不奋苦而求速效，只落得少日浮夸，老来窘隘而已。─郑板桥 9. 知识无底，学海无涯 10. 我们的生命，就是以不断出发的姿势得到重生。 11. 少而好学如日出之阳 12. 非淡泊无以明志，非宁静无以致远。——诸葛亮 13. 积累知识，胜过积蓄金银。（欧洲谚语 14. 少年读书，如隙中窥月；中年读书，如庭中望月；老年读书，如台上玩月。皆以阅历之深浅，为所得之深浅耳。——张潮 15. 逆境给人宝贵的磨炼机会。只有经得起环境考验的人，才能算是真正的强者。——松下幸之助 16. 最好的，不一定是最合适的；最合适的，才是真正最好的。 17. 读书破万卷，下笔如有神。——唐·杜甫 18. 生活、工作、学习倘使都能自动，则教育之收效定能事半功倍。所以我们特别注意自动力之培养，使它关注于全部的生活工作学习之中。自动是自觉的行动，而不是自发的行动。自觉的行动，需要适当的培养而后可以实现。——陶行知 19. 现在，我怕的并不是那艰苦严峻的生活，而是不能再学习和认识我迫切想了解的世界。对我来说，不学习，毋宁死。——罗蒙诺索夫 20. 知之为知之，不知为不知，是知也。 21. 成功=艰苦劳动+正确方法+少说空话。——爱因斯坦 22. 千里之行，始于足下——老子 23. 大多数人想要改造这个世界，但却罕有人想改造自己。 24. 在所有的过错中，我们最易于原谅的就是懒散。——拉罗什富科 25. 做一个决定，并不难，难的是付诸行动，并且坚持到底。 26. 让奋斗之花遍地盛开；让奋斗的清泉在泉眼中喷涌而出；让奋斗的雄鹰在蓝天下翱翔；让奋斗的果实丰硕地结满大树下吧!奋斗就是路，世上本没有路，走的人多了，也便成了路，人生需要奋斗，去开辟属天你的那条新航路吧! 27. 琴弦松驰，弹不出动听的乐曲；生活散漫，点不燃生命的火焰。 28. 学然后知不足，教然后知困。知不足，然后能自反也；知困，然后能自强也。——孔子 29. 失败缘于忽视细处，成功始于重视小事。 30. 当你还不能对自己说今天学到了什么东西时，你就不要去睡觉。——利希顿堡 31. 书籍是青年人不可分离的生活伴侣和导师。——高尔基 32. 读书百遍，其义自见。——《三国志》 33. 成长道路谁都会受伤，我们才刚刚起航，必须学会坚强。 34. 不学自知，不问自晓，古今行事，未之有也。 ——王充 35. 人生应该如蜡烛一样，从顶燃到底，一直都是光明的。——萧楚女 36. 读书勿求多，岁月既积，卷帙自富 。(清)冯班 37. 我们在我们的劳动过程中学习思考，劳动的结果，我们认识了世界的奥妙，于是我们就真正来改变生活了。——高尔基 38. 不是享乐，也不是受苦；而是行动，在每个明天，我们命定的目标和道路，都要比今天前进一步。——《人生礼赞》 39. 游手好闲地学习，并不比学习游手好闲好。——约翰·贝勒斯 40. 千教万教教人求真，千学万学学做真人。——陶行知 41. 攀登科学高峰，就像登山户外员攀登珠穆朗玛峰一样，要克服无数艰难险阻，懦夫和懒汉是不可能享受到胜利的喜悦和愉悦的。——陈景润 42. 毅力可以征服任何一座高峰。 43. 再长的路，一步步也能走完，再短的路，不迈开双脚也无法到达。 44. 黑发不知勤学早，白发方悔读书迟。——颜真卿 45. 能力是一个人的长度；勤奋是一个人的宽度；善于抓住机遇构成这个人的高度。长度宽度高度的乘积，就能算出我们每个人的生命容量。 46. 成功=艰苦劳动+正确方法+少说空话。 ——爱因斯坦 47. 业精于勤荒于嬉，行成于思毁于随。——韩愈 48. 立身以立学为先，立学以读书为本。——欧阳修 49. 饭可以一日不吃，觉可以一日不睡，书不可以一日不读。——毛泽东 50. 用宝珠打扮自己，不如用知识充实自己。 51. 历史使人明智，诗歌使人聪慧，数学使人精确，哲学使人深刻，伦理使人庄重，逻辑使人善辩。——培根 52. 那一个大学生领悟愈好，他就愈应受人尊敬，至于他是什么人的儿子，那是不必过问的。——罗蒙诺索夫 53. 立身以立学为先，立学以读书为本。 54. 没有哪一个聪明人会否定痛苦与忧愁的锻炼价值。——赫胥黎 55. 人最可悲的是自己不能战胜自己。 56. 在艺术上我决不是一个天才。为了探求精深的艺术技巧，我曾在苦海中沉浮，渐渐从混沌中看到光明。苍天没有给我什么独得之厚，我的每一步前进，都付出了通宵达旦的艰苦劳动和霜晨雨夜的冥思苦想。——范曾 57. 现在，我怕的并不是那艰苦严峻的生活，而是不能再学习和认识我迫切想了解的世界。对我来说不学习，毋宁死。——罗蒙诺索夫 58. 学习上做一眼勤、手勤、脑勤，就可以成为有学问的人。——吴晗 59. 学习知识要善于思考，思考，再思.我就是靠这个方法成为科学家的。 ——爱因斯坦 60. 在泪水中浸泡过的微笑最灿烂，从迷惘中走出来的灵魂最清醒。 61. 莫等闲，白了少年头，空悲切。——岳飞 62. 念高危，则思谦冲而自牧；惧满盈，则思江海下百川。——魏征：《谏太宗十思疏》 63. 只要功夫深，铁杵磨成针。 64. 勤劳一日，可得一夜安眠；勤劳一生，可得幸福长眠。——达·芬奇 65. 外在压力增加时，就应增强内在的动力。 66. 无论才能知识多么卓著，如果缺乏热情，则无异纸上画饼充饥，无补于事。 67. 要先打败任何事情得先学会打败自己。 68. 礼貌是一种语言。它的规则与实行，主要要从观察，从那些有教养的人们举止上去学习。——洛克 69. 想哭就哭，想笑就笑。不要因为世界虚伪，你也变得虚伪。 70. 积极的人在每一次忧患中都看到一个机会，而消极的人则在每个机会都看到某种忧患
7-5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 (教学课件)-高中物理人教版(2019)必修第二册
（钟慢效应）。
这一现象可以通过实验来验证：我们
能够在地面上探测到大气层上层产生的μ
子（曾被称为μ介子），如果没有钟慢效
应，那些μ子在到达地面之前就已经衰变
了。
钟慢效应(相对时间)： ∆ =
∆
− ( )
思考1：有一种基本粒子叫μ子，当它低速运动时，它的平均寿命是3.0μs，
绕地球一周，回到原处后，分别比静止在地面上
的钟慢59纳秒和快273纳秒。
实验结果与理论预言符合的很好，
这是相对论的第一次宏观验证。
相对论的思想实验：双生子佯谬
有一对双生兄弟，其中一人跨上一宇
宙飞船作接近光速的长程太空旅行，而另
一个则留在地球。结果当旅行者回到地球
后，我们发现他比留在地球上的兄弟更年
思考2：事实上到达地面的μ子，大多产生于距地面8km的高空，科学家
们根据经典理论，可以计算出每秒到达地面的μ子个数，但这个理论数值
小于实际观察到μ子个数，这是为什么呢？
由于钟慢效应，对于地面观察者
看来，μ子的平均寿命，已不是3.0μs
了，而是约为21μs，在这段时间内，
μ子可以飞行更远的距离，更多的μ子
的结果应该是：闪光先到达后壁，后到达前壁。
闪光先到达后方侧壁
时间不再是绝对的，而是相对的——同时性是相对的
相对时空观
（1）同时是相对的
在经典物理学家的头脑中，如果两个事件在一
个参考系中看来是同时的，在另一个参考系中看来
也一定是同时的，但是如果接受爱因斯坦的两个假
设，我们会得出“同时是相对的”这样一个结论。
是一样的。
迈克尔逊－莫雷实验(Michelson-Morley Experiment)，是
2024-2025学年新教材高中物理第七章5相对论时空观与牛顿力学的局限性教案新人教版必修2
题目：一物体以速度v相对于地球表面做匀速直线运动，地球表面上的观察者测得该物体的长度为L。求该物体相对于静止观察者的长度L'。
解答：
由长度收缩公式L' = L/γ，其中γ = 1/√(1 - v²/c²)。
例题3：
题目：一物体以速度v相对于地球表面做匀速直线运动，地球表面上的观察者测得该物体的长度为L。求该物体相对于静止观察者的长度L'。
核心素养目标分析
本节课的核心素养目标旨在通过相对论时空观与牛顿力学局限性的学习，培养学生以下几方面的能力与素养：
1.科学思维：使学生能够运用逻辑推理和批判性思维分析经典力学在极端条件下的局限性，理解相对论提出的历史背景和科学依据，提高学生的科学论证和质疑能力。
2.探究能力：鼓励学生通过小组合作、讨论交流，探索相对论中的光速不变原理、时间膨胀和长度收缩等现象，培养学生的探究意识和实践能力。
-计算器或科学计算软件
-相对论教学演示软件
2.课程平台
-学校教学管理系统（发布作业、课件等）
-在线物理课程资源库（提供额外学习材料）
3.信息化资源
-电子教材
-课件PPT
-视频资料（相对论原理讲解、实验演示等）
-动画和图示（展示时间膨胀、长度收缩等概念）
4.教学手段
-小组合作学习
-课堂讨论
-实物演示和实验操作
二、新课讲授（用时10分钟）
1.理论介绍：首先，我们要了解狭义相对论的基本概念。狭义相对论是爱因斯坦提出的一种描述高速物体运动的物理理论。它的重要性在于揭示了牛顿力学在极端条件下的局限性。
2.案例分析：接下来，我们来看一个具体的案例——双生子悖论。这个案例展示了相对论中的时间膨胀效应，以及它如何影响我们对时间的认知。
人教版高中物理必修第二册课件7.5相对论时空观与牛顿力学的相对性(共23张PPT)
4.从宏观到微观
（1）19世纪末20世纪初，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
A．在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，在狭义相对论中，物体的质量也不随运动状态而改变 狭义相对论只涉及惯性参考系，不涉及非惯性参考系，选项D错误，C正确。
在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c都相同 狭义相对论只涉及惯性参考系，不涉及非惯性参考系，选项D错误，C正确。
狭义相对论时空观与经典时空观的区别：
相对论的时空观念与人们固有的时空观念差 别很大，很难被普通人所理解。人们都称赞爱因 斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟大的内容。这使 人们想起英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句:
狭义相对论认为在一切惯性系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关 经典物理中的速度合成公式在任何情况下都是适用的 （4）令人高兴的是，我们这种认识与物理学的伟大奠基者牛顿的看法是一致的。 人们对空间和时间概念的扬弃与修正，推动着物理研究的深化，扩展着人类的科学视野。 （1）物体运动的特征就是它的位置随时间而发生变化，因而要描述物体运动就应该对空间和时间有一些认识。 这样，空间和时间不再与物体及运动无关而独立存在了。 魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，” 力学规律在一个静止的参考系和一个匀速运动的参考系中是不等价的
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相对性
学习目标
1. 知道牛顿力学的局限性， 2.了解经典力学在科学研究和生产技术中的应用， 3.体会人类对自然界的探索是不断深入的。 4.初步了解相对论的时空观，关注宇宙起源和演化研究进展。
经典的相对性原理
（1）惯性系： 牛顿运动定律成立的参考系。 相对于一个惯性参考系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯
2024春高中物理第7章万有引力与宇宙航行5-相对论时空观与牛顿力学的局限性课件新人教版必修第二册
B．在真空中，光的速度与光源的运动状态无关
√
C．在惯性系和非惯性系中光都是沿直线传播的
D．在所有惯性系中，光在真空中沿任何方向传播的速度都相同
√
1
2
3
4
ABD
[根据相对性原理知，物理规律在所有惯性系中都具有相同
的形式，A正确；根据光速不变原理知，B、D正确；在惯性系中光
是沿直线传播的，在非惯性系中光不是沿直线传播，而是一段弧
(2)如何研究质子的运动规律？
(3)相对论、量子力学否定了牛顿力学吗？
提示：(1)不适用，牛顿力学只适用于宏观低速运动。
(2)描述微观高速粒子的运动要用到量子力学。
(3)相对论、量子力学没有否定牛顿力学，牛顿力学是相对论、量子
力学在一定条件下的特例。
1．牛顿力学与相对论、量子力学的区别
(1)牛顿力学适用于低速运动的物体；相对论是爱因斯坦阐述物体在
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，故火箭A上的时钟走得最快，地面上的时钟最
第七章 万有引力与宇宙航行
5．相对论时空观与牛顿力学的局
限性
1．知道爱因斯坦两个假设的基本内容，初步了解相对论
时空观。
学习
2．知道光速不变原理，会用长度收缩效应和时间延缓效
任务
应分析问题。
3．认识牛顿力学的局限性，体会人类对自然界的探索是
2023学年新教材高中物理第七章万有引力与宇宙航行5相对论时空观与牛顿力学的局限性课件新人教版必修
课标要求
1.知道牛顿力学的发展历程、适用范围及局限性；知道爱因斯坦狭 义相对论的基本假设．(物理观念)
2．知道时间延缓效应和长度收缩效应的内容及表达式，会分析相关 现象，进行相关较简单的计算．(科学思维)
3．了解宇宙起源的大爆炸理论，科学真理都是相对的，未知世界必 将在人类的不懈探索中被揭开更多谜底．(科学态度与责任)
关键能力·合作探究
情境探究
探究点一 对相对论时空观的理解
如图所示，高速运行的列车车厢，车顶上有一个反光镜，列车上一 个人对着反光镜照射一束光．
列车上的人和地面上的人观察到的光的往返时间是否相同？
不同．
核心归纳 1.两个假设的理解 (1)在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的．也就是说， 物理学的定律与惯性系的选择无关． (2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的．也就是说， 不管光源与观察者的相对运动如何，在任一惯性系中的观察者所观测 到的真空中的光速都是相等的．
2．对时间延缓效应的理解 (1)对同一物理过程经历的时间，在不同的惯性系中观测，测得的结 果不同，时间延缓效应是一种观测效应，不是被测过程的节奏变化 了． (2)惯性系速度越大，地面上的人观测到的时间越长． (3)由于运动是相对的，故在某一参考系中观测另一参考系中发生的 物理事件，总会感到时间延缓效应．即惯性系中的人观测地面上发生 的事件的时间也延缓．
走进生活 如图所示，假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶．车厢中央的 光源发出一个闪光，照到了车厢的前壁和后壁．请判断
(1) 对 车 厢 内 相 对 车 厢 静 止 的 观 察 者 看 来 ， 闪 光 同 时 到 达 前 、 后 壁．( √ )
(2)对车下的观察者看来，闪光先到达后壁，后到达前壁．( √ ) (3)以上两人的看法必然有一个是错误的．( × )