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第5节　相对论时空观与牛顿力学的局限性
(强基课逐点理清物理观念)
课标要求 层级达标
1.知道牛顿力学的局限性,体会人类对自然界的探索是不断深入的。 2.初步了解相对论时空观。 学考层级 1.知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。 2.知道相对论、量子力学有助于人类认识高速、微观领域。 3.知道爱因斯坦的两个假设。 4.知道时间延缓效应和长度收缩效应。
选考层级 1.了解爱因斯坦的两个假设,知道牛顿力学的局限性。 2.能对时间延缓效应和长度收缩效应问题进行分析。
逐点清(一)　相对论时空观
[多维度理解]
1.电磁波与光速
英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了　　　　的存在,并证明电磁波的传播速度等于　　　　。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　　　的。
2.绝对时空观:时间与空间都是独立于物体及其　　　而存在的,也叫牛顿力学时空观。
3.爱因斯坦的假设
(1)在不同的惯性参考系中,物理规律的形式都是　　　的。
(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是　　　的。
4.惯性系和非惯性系
(1)牛顿运动定律能够成立的参考系为惯性系,相对于这个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。
(2)牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系。
5.时间延缓效应:Δt=　　　　　　　　　　。
6.长度收缩效应:l=　　　　　　 　　　　。
7.相对论时空观: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　　　　　　有关。
8.相对论时空观与经典力学的比较
项目 经典力学 相对论时空观
“同时”的 相对性 如果两个事件在一个参考系中是同时的,在另一个参考系中一定也是同时的 在一个参考系中不同地点同时发生的两个事件,在另一个参考系中不一定是同时的
时间间隔 的相对性 某两个事件,在不同的惯性参考系中观察,它们的时间间隔总是相同的 某两个事件,在不同的惯性参考系中观察,它们的时间间隔是不相同的
长度的 相对性 一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同 “长度”也具有相对性,一根沿自身长度方向运动的杆,其长度总比静止时的小
[全方位练明]
1.1905年爱因斯坦提出了狭义相对论,狭义相对论的出发点是以两条基本假设为前提的,这两条基本假设是 (　　)
A.同时的绝对性与同时的相对性
B.运动的时钟变慢与运动的尺子缩短
C.时间间隔的绝对性与空间距离的绝对性
D.相对性原理与光速不变原理
2.(2023·广东1月学考)地面上的观察者测得真空中的光速为v1,在匀速直线运动的列车内,观察者测得真空中的光速为v2,根据狭义相对论,下列判断正确的是 (　　)
A.v1>v2　　　　　　 B.v1C.v1=v2 D.无法确定
3.(2024·武汉高一检测)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.(多选)用相对论的观点判断下列说法正确的是 (　　)
A.时间和空间都是绝对的,在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度都不会改变
B.在地面上的人看来,以10 km/s的速度运动的飞船中的时钟会变快,但飞船中的航天员却认为时钟是准确的
C.在地面上的人看来,以10 km/s的速度垂直地面向上运动的飞船在运动方向上会变短,而飞船中的航天员却感觉地面上的人看起来比飞船中的人扁一些
D.当物体运动的速度v远小于c时,长度收缩效应和时间延缓效应都可以忽略不计
逐点清(二)　牛顿力学的成就与局限性
[多维度理解]
1.牛顿力学的成就:牛顿力学的基础是　　　　　　　,　　　　　　的建立与应用更是确立了人们对牛顿力学的尊敬。从地面上物体的运动到天体的运动,都服从　　　　　的规律。
2.牛顿力学的局限性
电子、质子、中子等　　　　　,它们不仅具有粒子性,同时还具有　　　　,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。
4.低速与高速的理解
(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。
5.牛顿力学与相对论、量子力学的比较
牛顿力学(经典力学) 相对论、量子力学
区别 (1)牛顿力学适用于低速运动的物体 (2)牛顿力学适用于宏观世界 (3)牛顿力学在弱引力的情况下与实验结果符合得很好 (1)相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律 (2)量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律 (3)相对论能够解释强引力情况下的作用规律
联系 (1)当物体的运动速度远小于光速时,相对论物理学与牛顿物理学的结论没有区别 (2)当另一个重要常数即普朗克常量h可以忽略不计时,量子力学和牛顿力学的结论没有区别 (3)相对论和量子力学并没有否定牛顿力学,牛顿力学是二者在一定条件下的特殊情形
[全方位练明]
1.判断下列说法是否正确。
(1)火车提速后,有关速度问题不能用牛顿力学来处理。 (　　)
(2)宏观物体在低速运动时,相对论与经典力学的结论是一致的。 (　　)
(3)在牛顿力学的适用范围内,运动的时钟和静止的时钟快慢相同。 (　　)
(4)电子在原子核外的运动规律不能用牛顿力学来解释。 (　　)
2.经典力学只适用于“宏观世界”,这里的“宏观世界”是指 (　　)
A.行星、恒星、星系等巨大的物质领域
B.地球表面上的物质世界
C.人眼能看到的物质世界
D.不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界
3.(多选)来自中国的量子科学实验卫星“墨子号”从太空发出两道红色的光,射向青海德令哈站与千公里外的云南丽江高美古站,首次实现人类历史上第一次距离达“千公里级”的量子密钥分发。下列说法正确的是 (　　)
A.牛顿力学适用于描述“墨子号”绕地球运动的规律
B.牛顿力学适用于描述光子的运动规律
C.量子力学可以描述“墨子号”发出的“两道红色的光”的运动规律
D.量子力学的发现说明牛顿力学已失去了实用价值
第5节　相对论时空观与牛顿力学的局限性
逐点清(一)
[多维度理解]
1．电磁波　光速c　一样　2.运动　3.(1)相同　(2)相同
5.　6.l0 　7.运动状态　
[全方位练明]
1．选D　狭义相对论的两个基本假设是相对性原理和光速不变原理，故D正确。
2．选C　根据狭义相对论光速不变原理，光在真空中总是以确定的速度传播，速度的大小同光源的运动状态和观察者所处的惯性系无关，可知v1＝v2。故选C。
3．选D　取路旁的人为惯性参考系，车上的人相对于路旁的人高速运动，根据长度收缩效应，人在运动方向上将变窄，但在垂直于运动方向上没有发生变化，所以这个人瘦但不高，故D正确。
4．选CD　根据相对论可知，时间和空间都是相对的，没有绝对准确的时间和空间，A错误；由Δt＝知，在地面上看以10 km/s的速度运动的时钟，发现运动的时钟会变慢，B错误；由l＝l0可知在地面上的人看来，以10 km/s的速度垂直地面向上运动的飞船在运动方向上会变短，而飞船中的航天员却感觉地面上的人看起来比飞船中的人扁一些，C正确；由时间延缓效应公式和长度收缩效应公式可知，当v远小于c时，时间延缓效应和长度收缩效应都可以忽略不计，D正确。
逐点清(二)
[多维度理解]
1．牛顿运动定律　万有引力定律　牛顿力学　2.微观粒子　波动性
[全方位练明]
1．(1)×　(2)√　(3)√　(4)√
2．选D　前三个选项说的都属于“宏观世界”，但都很片面，没有D选项描述的全面，故选D。
3．选AC　牛顿力学可以用来描述宏观低速运动问题，故牛顿力学适用于描述“墨子号”绕地球运动的规律，故A正确；对于运动速度接近光速的物体的运动，不适合用牛顿力学来描述，故B错误；量子力学可以描述“墨子号”发出的“两道红色的光”的运动规律，因为红光运动速度为光速，所以需考虑相对论效应，应使用量子力学描述，故C正确；量子力学和牛顿力学适用范围不同，量子力学适用于微观粒子的运动，在宏观低速运动中，牛顿力学仍然适用，不能说牛顿力学已经失去了实用价值，故D错误。
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相对论时空观与牛顿力学的局限性
(强基课——逐点理清物理观念)
第 5 节
课标要求 层级达标 1.知道牛顿力学的局限性,体会人类对自然界的探索是不断深入的。 2.初步了解相对论时空观。 学考层级 1.知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。
2.知道相对论、量子力学有助于人类认识高速、 微观领域。
3.知道爱因斯坦的两个假设。
4.知道时间延缓效应和长度收缩效应。
选考层级 1.了解爱因斯坦的两个假设,知道牛顿力学的局限性。
2.能对时间延缓效应和长度收缩效应问题进行分析。
1
逐点清(一)　相对论时空观
2
逐点清(二)　牛顿力学的成就与局限性
CONTENTS
目录
逐点清(一)　相对论时空观
1.电磁波与光速
英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了________的存在,并证明电磁波的传播速度等于_______。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______的。
2.绝对时空观:时间与空间都是独立于物体及其_____而存在的,也叫牛顿力学时空观。
多维度理解
电磁波
光速c
一样
运动
3.爱因斯坦的假设
(1)在不同的惯性参考系中,物理规律的形式都是_____的。
(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是_____的。
4.惯性系和非惯性系
(1)牛顿运动定律能够成立的参考系为惯性系,相对于这个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。
(2)牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系。
相同
相同
5.时间延缓效应:Δt=_______。
6.长度收缩效应:l=___________。
7.相对论时空观: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__________有关。
l0
运动状态
8.相对论时空观与经典力学的比较
项目 经典力学 相对论时空观
“同时”的 相对性 如果两个事件在一个参考系中是同时的,在另一个参考系中一定也是同时的 在一个参考系中不同地点同时发生的两个事件,在另一个参考系中不一定是同时的
时间间隔 的相对性 某两个事件,在不同的惯性参考系中观察,它们的时间间隔总是相同的 某两个事件,在不同的惯性参考系中观察,它们的时间间隔是不相同的
长度的 相对性 一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同 “长度”也具有相对性,一根沿自身长度方向运动的杆,其长度总比静止时的小
1.1905年爱因斯坦提出了狭义相对论,狭义相对论的出发点是以两条基本假设为前提的,这两条基本假设是 (　　)
A.同时的绝对性与同时的相对性
B.运动的时钟变慢与运动的尺子缩短
C.时间间隔的绝对性与空间距离的绝对性
D.相对性原理与光速不变原理
全方位练明
√
解析:狭义相对论的两个基本假设是相对性原理和光速不变原理,故D正确。
2.(2023·广东1月学考)地面上的观察者测得真空中的光速为v1,在匀速直线运动的列车内,观察者测得真空中的光速为v2,根据狭义相对论,下列判断正确的是 (　　)
A.v1>v2　　　　　　 B.v1C.v1=v2 D.无法确定
√
解析:根据狭义相对论光速不变原理,光在真空中总是以确定的速度传播,速度的大小同光源的运动状态和观察者所处的惯性系无关,可知v1=v2。故选C。
3.(2024·武汉高一检测)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
√
解析:取路旁的人为惯性参考系,车上的人相对于路旁的人高速运动,根据长度收缩效应,人在运动方向上将变窄,但在垂直于运动方向上没有发生变化,所以这个人瘦但不高,故D正确。
4.(多选)用相对论的观点判断下列说法正确的是 (　　)
A.时间和空间都是绝对的,在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度都不会改变
B.在地面上的人看来,以10 km/s的速度运动的飞船中的时钟会变快,但飞船中的航天员却认为时钟是准确的
C.在地面上的人看来,以10 km/s的速度垂直地面向上运动的飞船在运动方向上会变短,而飞船中的航天员却感觉地面上的人看起来比飞船中的人扁一些
D.当物体运动的速度v远小于c时,长度收缩效应和时间延缓效应都可以忽略不计
√
√
解析:根据相对论可知,时间和空间都是相对的,没有绝对准确的时间和空间,A错误;由Δt=知,在地面上看以10 km/s的速度运动的时钟,发现运动的时钟会变慢,B错误;由l=l0可知在地面上的人看来,以10 km/s的速度垂直地面向上运动的飞船在运动方向上会变短,而飞船中的航天员却感觉地面上的人看起来比飞船中的人扁一些,C正确;由时间延缓效应公式和长度收缩效应公式可知,当v远小于c时,时间延缓效应和长度收缩效应都可以忽略不计,D正确。
逐点清(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_____________,____________ 的建立与应用更是确立了人们对牛顿力学的尊敬。从地面上物体的运动到天体的运动,都服从__________的规律。
2.牛顿力学的局限性
电子、质子、中子等__________,它们不仅具有粒子性,同时还具有_________,它们的运动规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明。
多维度理解
牛顿运动定律
万有引力定律
牛顿力学
微观粒子
波动性
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。
4.低速与高速的理解
(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。
5.牛顿力学与相对论、量子力学的比较
牛顿力学(经典力学) 相对论、量子力学
区别 (1)牛顿力学适用于低速运动的物体 (2)牛顿力学适用于宏观世界 (3)牛顿力学在弱引力的情况下与实验结果符合得很好 (1)相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律
(2)量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律
(3)相对论能够解释强引力情况下的作用规律
联系 (1)当物体的运动速度远小于光速时,相对论物理学与牛顿物理学的结论没有区别
(2)当另一个重要常数即普朗克常量h可以忽略不计时,量子力学和牛顿力学的结论没有区别
(3)相对论和量子力学并没有否定牛顿力学,牛顿力学是二者在一定条件下的特殊情形
续表
1.判断下列说法是否正确。
(1)火车提速后,有关速度问题不能用牛顿力学来处理。 ( )
(2)宏观物体在低速运动时,相对论与经典力学的结论是一致的。 ( )
(3)在牛顿力学的适用范围内,运动的时钟和静止的时钟快慢相同。 ( )
(4)电子在原子核外的运动规律不能用牛顿力学来解释。 ( )
全方位练明
×
√
√
√
2.经典力学只适用于“宏观世界”,这里的“宏观世界”是指 (　　)
A.行星、恒星、星系等巨大的物质领域
B.地球表面上的物质世界
C.人眼能看到的物质世界
D.不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界
√
解析:前三个选项说的都属于“宏观世界”,但都很片面,没有D选项描述的全面,故选D。
3.(多选)来自中国的量子科学实验卫星“墨子号”从太空发出两道红色的光,射向青海德令哈站与千公里外的云南丽江高美古站,首次实现人类历史上第一次距离达“千公里级”的量子密钥分发。下列说法正确的是 (　　)
A.牛顿力学适用于描述“墨子号”绕地球运动的规律
B.牛顿力学适用于描述光子的运动规律
C.量子力学可以描述“墨子号”发出的“两道红色的光”的运动规律
D.量子力学的发现说明牛顿力学已失去了实用价值
√
√
解析:牛顿力学可以用来描述宏观低速运动问题,故牛顿力学适用于描述“墨子号”绕地球运动的规律,故A正确;对于运动速度接近光速的物体的运动,不适合用牛顿力学来描述,故B错误;量子力学可以描述“墨子号”发出的“两道红色的光”的运动规律,因为红光运动速度为光速,所以需考虑相对论效应,应使用量子力学描述,故C正确;量子力学和牛顿力学适用范围不同,量子力学适用于微观粒子的运动,在宏观低速运动中,牛顿力学仍然适用,不能说牛顿力学已经失去了实用价值,故D错误。

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