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第七章 万有引力与宇宙航行
相对论时空观与牛顿力学的局限性
知道爱因斯坦的两个假设的内容。
知道时间延缓效应及长度收缩效应结论的内容。
认识经典力学的局限性和适用范围。
了解相对论、量子力学和经典力学的关系。
2
3
1
重点
重难点
4
生活经验让我们体会到，
时间像一条看不见的“长河 ”， 均匀地自行流逝着，
空间像一个广阔无边的房间，它们都不影响物体及其运动。
若河中的水以相对于岸的速度 v水岸 流动，河中的船以相对于水的速度 v船水 顺流而下，则船相对于岸的速度为
v船岸＝ v船水＋ v水岸
时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的。这种绝对时空观，也叫牛顿力学时空观。
设想人类可以利用飞船以0.2c的速度进行星际航行。若飞船向正前方的某一星球发射一束激光，该星球上的观察者测量到的激光的速度是多少？
答案似乎应为 1.2c。
然而，事实并非如此！
因为经典力学不再适用。经典力学只适用于解决低速运动问题，不能用来处理高速运动问题，要解决这一问题就需要用到相对论时空观。
相对论时空观
一
地球绕太阳公转的速度是3×104 m/s，某实验室的圆形粒子加速器可以把电子加速到0.999 999 999 987倍光速的速度，请思考：
地球的公转速度属于低速，
被加速器加速后的电子的速度属于高速。
(1)在狭义相对论中，地球的公转速度属于低速还是高速？被加速器加速后的电子的速度属于低速还是高速？
(2)在地面上校准的两只钟，一只留在地面上，一只随宇宙飞船遨游太空，隔一段时间飞船返回地面时，两只钟显示的时间相同吗？有什么差别？
不相同。
随飞船旅行的时钟变慢。
1.19世纪，物理学家 根据电磁场理论预言了电磁波的存在，并证明电磁波的传播速度 光速c。
2.1887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 ！这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系 。
麦克斯韦
等于
麦克斯韦
都是一样的
不符
3.爱因斯坦假设
(1)在不同的 参考系中，物理规律的形式都是 的。
(2)真空中的 在不同的惯性参考系中大小都是 的。
惯性
相同
光速
相同
爱因斯坦
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了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁。
车上的观察者以车厢为参考系，闪光会同时到达前后两壁。这两个事件是同时发生的。
车下的观察者以地面为参考系，闪光先到达后壁，后到达前壁。这两个事件不是同时发生的。
4.相对论时空观
(1)时间延缓效应
①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= 。
②Δt与Δτ的关系总有Δt Δτ(选填“>”“<”或“=”)，即物理过程的快慢(时间进程)跟物体的运动状态 (选填“有关”或“无关”)。
有关
>
②l与l0的关系总有l l0(选填“>”“<”或“=”)，即运动物体的长度(空间距离)跟物体的运动状态 (选填“有关”或“无关”)。
(2)长度收缩效应
①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
<
有关
1.设某人在速度为0.5c的飞船上打开一个光源，(c为真空中传播的光速)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1.5c
B.飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5c
C.在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是c
D.在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c
√
根据爱因斯坦的光速不变原理可知，在不同的惯性参考系中，光在真空中沿任何方向传播速度都是c，则观察者在地面上任何地方和在飞船中观测光的速度均为c，故选D。
2.(2023·南通市高一月考)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vb、vc向同一方向飞行的两枚火箭上，且vbA.a B.b
C.c D.无法确定
√
根据公式Δt=可知，钟表相对于地面观察者的速度v越大，其上的时间进程越慢，a放在地面上，在地面上的人看来，a钟走的快慢没有变化。b、c两钟放在两个火箭上，根据爱因斯坦相对论可知，b、c变慢，由于vb　 3.(2023·无锡市高一期中)若一列火车以接近光速的速度在高速行驶，车上的人用望远镜来观察地面上的一只排球，其观察的结果是
A.像一只乒乓球(体积变小)
B.像一只篮球(体积变大)
C.像一只橄榄球(竖直放置)
D.像一只橄榄球(水平放置)
√
根据狭义相对论，以观察者为参考系，则排球以接近光速的速度反向运动，由长度收缩效应可知，观察者测得排球水平宽度变短，竖直长度不变，因此观察的结果是像一只竖直放置的橄榄球。故选C。
牛顿力学的成就与局限性
二
1.牛顿力学的成就
牛顿
经典力学金字塔的建立
伽利略、第谷
哥白尼、亚里士多德
笛卡尔、胡克、哈雷等
开普勒
(3)将“实验和数学”相结合的方法推广到物理学的各个分支，形成了完整的经典力学体系。
(1)把天体的运动与地面上物体的运动统一起来，实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。
(2)在宏观、低速、弱引力的广阔区域，包括天体力学的研究中，经受了实践检验，取得了巨大成就。
2.牛顿力学的局限性
(1)物体在以接近光速运动时所遵从的规律，有些是与牛顿力学的结论并不相同的。
(2)在微观世界中(尺度在10-10 m以下)，由于物质的存在和运动形式(波粒二象性)较宏观世界，有较大的不同，牛顿力学也不适用。
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”
4.低速与高速
(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的物体。
(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。
3.牛顿力学的适用范围
牛顿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；只适用于弱引力情况，不适用于强引力情况。
相对论和量子力学是不是否定了牛顿力学？ 说说你的看法。
不是。
当物体的运动速度远小于光速时，相对论与牛顿力学的结论没有区别；
当普朗克常量可以忽略不计时，量子力学和牛顿力学的结论没有区别。牛顿力学没有被否定，而是作为某些条件下的特殊情形，被包括在新的科学成就之中。
(1)相对论和量子力学的出现，说明经典力学已失去意义。(　　)
(2)原子中电子的运动能用经典力学进行解释。(　　)
(3)空气中灰尘的运动能用经典力学进行解释。(　　)
(4)牛顿力学只适用于世界上普通的物体，研究天体的运动牛顿力学就无能为力了。(　　)
(5)洲际导弹的速度可达到6 000 m/s，在这种高速运动状态下，牛顿力学不适用。(　　)
(6)对于质子、电子的运动情况，牛顿力学同样适用。(　　)
×
×
√
×
×
×
4.关于牛顿力学理论，下述说法中正确的是
A.牛顿力学适用于宏观、低速、弱引力场
B.相对论和量子力学证明了牛顿力学是错误和过时的
C.牛顿力学认为时空是相对的
D.牛顿力学可以预言各种尺度下的运动
√
牛顿力学适用于宏观、低速、弱引力场，A正确；相对论和量子力学适用于微观高速粒子的运动，并没有否定牛顿力学，B错误；牛顿力学中，认为时间和空间都是绝对的，C错误；牛顿力学不适用于微观、高速情况下的运动，D错误。
5.(2024·台州市高一期中)下列物理情景中，经典的牛顿力学不再适用的是
A.电子以接近光的速度运动
B.超音速飞行的歼-20战机
C.地球绕太阳运动
D.体育课上，被小明同学抛出的篮球
√
牛顿力学适用于宏观低速运动的物体，对微观高速运动的粒子不再适用，因此当电子以接近光的速度运动时，牛顿力学不再适用；而超音速飞行的歼-20战机、地球绕太阳运动以及抛出的篮球都属于宏观低速运动的物体，牛顿力学完全适用。故选A。
相对论时空观与牛顿力学的局限性
相对论时空观
爱因斯坦假设
时间延缓效应： Δt ＝
长度收缩效应： l＝ l0
牛顿力学的成就与局限性
成就：形成了完整的经典力学体系
局限性：微观、高速、强力不适用
相对论、量子力学和经典力学的关系：互为补充，互不矛盾，互不否定，共同支撑起物理学科的骨架。
Keep Thinking!

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