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7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性
1. 知道爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设。
2. 知道时间延缓效应和长度收缩效应、知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。
3. 知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。
知识点一：绝对时空观
1. 研究对象的特点
(1)低速运动：运动速度远小于光速。如射出的子弹跟光速相比也属于低速。
(2)宏观物体：肉眼可见的物体就属于宏观物体。
我们通常所接触的物体都是宏观物体，所接触的运动都属于低速运动，牛顿运动定律适用于低速、宏观物体的运动。
2. 绝对时空观——牛顿力学时空观
绝对时空观认为时间和空间是两个独立的概念，彼此之间没有联系。绝对时空观认为时间与空间的度量与惯性参考系的运动状态无关，同一物体在不同惯性参考系中观察到的运动学量是不变的。
3. 惯性系和非惯性系
(1)惯性系：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。一切相对于惯性系做匀速直线运动或者静止的参考系也是惯性系。
(2)非惯性系：相对于惯性系做加速运动的参考系称为非惯性系。任何一个相对地面具有加速度的物体都可以被当作非性系，牛顿运动定律对非惯性系不成立。
知识点二：相对论时空观
1．狭义相对论的两个基本假设
（1）狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。
（2）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。
2. 时间延缓效成
如果相对于地面以速度v运动的惯性参考系中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，地面上的人观察到该物体完成这个动作的时间间隔为，那么两者间的关系：，由于，所以总有，此种情况称为时间延缓效应。
时间延缓效应的核心是：观察某个过程所用的时间时，静止在地面上观察所用时间比在高速运动物体上观察所用时间长。
3. 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，以速度v相对杆运动的人测得杆长是l，那么两者之间的关系是：，由于，所以总有，此种情况称为长度收缩效应。
（1）长度收缩效应的核心是：测量某物体的长度时，在高速运动物体上所测物体的长度比静止在地面上所测物体的长度短;
（2）只要两者有相对速度，观察者都会看到长度收缩效应。
4. 经典力学与相对论的比较
项目 经典力学 相对论
适用范围 低速运动，宏观世界 任何情况都使用
速度的合成 遵守平行四边形法则 不遵守平行四边形法则
速度对质量的影响 质量不变 质量随其速度的增大而变大
速度对时间的影响 无影响 时间延缓效应
速度对长度的影响 无影响 长度收缩效应
联系 以下两种情况，相对论与经典力学的结论没有区别 ①物体的速度远小于光速c(3x108m/s)时; ②普朗克常量(6.63×10-34J·s)可以忽略不计时
知识点三：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：牛顿力学对于高速运动的物体和电子、质子、中子等微观粒子是不适用的。
3、量子力学的建立能够很好地描述宏观低速运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用。
4、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。
知识点四：宇宙起源与恒星的演化
1、宇宙起源（宇宙大爆炸理论）
（1）宇宙大爆炸理论是目前广泛接受的宇宙起源理论，它表明宇宙起源于一个极度热密的初始状态，然后经历了急剧膨胀。
（2）这一理论解释了宇宙中各种天体的分布、宇宙背景辐射以及宇宙的演化历史。
（3）它是由比利时天文学家乔治 勒梅特和美国天文学家埃德温 哈勃等人提出的。
2、恒星的演化
（1）恒星初级阶段：由星云向外辐射能量，所形成的的反向推力聚集而成，类似于水的冷凝。
（2）恒星阶段：当初始星云，具备了向内运动的动力，并且聚集之后，突破星云物质分子、原子，释放大量热能的同时释放出十分巨大的空间。
（3）恒星衰老之后的演变取决于恒星的质量：当质量足够大能够压破原子核，就能形成中子星；大到能够压迫中子就可能形成所谓的黑洞；当然恒星质量不足，最终无法进入下一个阶段，只能衰变为白矮星。
如图所示，位于教室中央的光源发出一个闪光，闪光照到了教室的前壁和后壁。教室的长度为10m。在平行于教室高速运动的太空飞船上的观察者（　　）
A．测得照到前壁的光速度小于c
B．观测到飞船上的时间进程比教室快
C．测得教室的长度大于10m
D．观察到光先到达后壁
如图所示，惯性系S中有一棱长为1的立方体，从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上观察，则该立方体的形状是（　　）
A． B．
C． D．
下列说法正确的是（　　）
A．经典力学中物体的质量是可变的
B．经典力学中的时间和空间是独立于物体及其运动的
C．万有引力定律适用于强引力作用
D．物体的速度可以是任意数值
（多选）对于经典力学和量子力学理论，下列说法正确的是（　　）
A．经典力学能够解释微观粒子的运动规律
B．经典力学取得了巨大成就，但也有局限性
C．由于相对论与量子力学的提出，经典力学已不再适用了
D．经典力学适用于宏观物体的低速运动问题，不适用于微观粒子的高速运动问题
如图所示，你站在水平木杆AB的中央附近，并且看到木杆落在地面上时是两端同时着地的；若此时飞飞同学正以接近光速的速度从木杆前面掠过，则（　　）
A．飞飞同学看到木杆的B端比A端先落地
B．飞飞同学看到木杆的A端比B端先落地
C．飞飞同学看到木杆的两端同时落地
D．飞飞同学看到的木杆长度比你看到的木杆长度更长
一艘航天器以0.8倍的光速沿如图所示的方向通过AB。地面观测者测得A、B两点距离L1，经过过时间t1；航天器驾驶员观测到A、B两点距离L2，经过时间t2。则（　　）
A．L1＝L2 B．L1＞L2 C．t1＝t2 D．t1＜t2
2021年10月5日，三位科学家因为他们立于科学前沿探索世间奥秘，而共享诺贝尔物理学奖。物理学史上许多物理学家的科学研究推动了人类文明的进程，关于相对论时空观与牛顿力学的局限性，下列说法正确的是（　　）
A．经典力学能够说明微观粒子的规律性，仍能适用于宏观物体的高速运动问题
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
以下说法正确的是（　　）
A．经典力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用
B．经典力学理论的成立具有一定的局限性
C．在相对论中，物体的质量不随运动状态而改变
D．相对论与量子力学否定了经典理论
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．0.4c B．0.5c C．0.9c D．1.0c
下列说法正确的是（　　）
A．经典力学能够说明微观粒子的规律性
B．经典力学适用于宏观物体的低速运动问题，不适用于高速运动问题
C．相对论和量子力学的出现，表示经典力学已失去意义
D．对于宏观物体的高速运动问题，经典力学仍能适用
真空中光速为c。如图为一车厢，向右做匀速直线运动，v＝0.9c，车厢内中心有一光源，上方有一个接收器，车厢内可视为真空。车厢内的人测得车厢长为L1，则地面上的人测得车厢长为L2，则（　　）
A．L1＜L2 B．L1＝L2 C．L1＞L2 D．无法判断
如图所示，一同学在教室上课，教室的长度为9m，教室中间位置有一光源．有一飞行器从前向后高速通过教室外侧，已知光速为c，飞行器中的飞行员认为（　　）
A．教室中的时钟变快
B．教室的长度大于9m
C．从光源发出的光先到达教室后壁
D．光源发出的光，向后的速度小于c
爱因斯坦于1905年在德国《物理年鉴》发表了论文《论动体的电动力学》，论文首次提出狭义相对论。假设一艘太空飞船静止时的长度为30m，它以0.6c（c为光速）的速度沿长度方向飞行越过地球，根据狭义相对论，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30m
B．地球上的观测者测得该飞船的长度小于30m
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
第1页（共1页）中小学教育资源及组卷应用平台
7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性
1. 知道爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设。
2. 知道时间延缓效应和长度收缩效应、知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。
3. 知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。
知识点一：绝对时空观
1. 研究对象的特点
(1)低速运动：运动速度远小于光速。如射出的子弹跟光速相比也属于低速。
(2)宏观物体：肉眼可见的物体就属于宏观物体。
我们通常所接触的物体都是宏观物体，所接触的运动都属于低速运动，牛顿运动定律适用于低速、宏观物体的运动。
2. 绝对时空观——牛顿力学时空观
绝对时空观认为时间和空间是两个独立的概念，彼此之间没有联系。绝对时空观认为时间与空间的度量与惯性参考系的运动状态无关，同一物体在不同惯性参考系中观察到的运动学量是不变的。
3. 惯性系和非惯性系
(1)惯性系：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。一切相对于惯性系做匀速直线运动或者静止的参考系也是惯性系。
(2)非惯性系：相对于惯性系做加速运动的参考系称为非惯性系。任何一个相对地面具有加速度的物体都可以被当作非性系，牛顿运动定律对非惯性系不成立。
知识点二：相对论时空观
1．狭义相对论的两个基本假设
（1）狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。
（2）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。
2. 时间延缓效成
如果相对于地面以速度v运动的惯性参考系中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，地面上的人观察到该物体完成这个动作的时间间隔为，那么两者间的关系：，由于，所以总有，此种情况称为时间延缓效应。
时间延缓效应的核心是：观察某个过程所用的时间时，静止在地面上观察所用时间比在高速运动物体上观察所用时间长。
3. 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，以速度v相对杆运动的人测得杆长是l，那么两者之间的关系是：，由于，所以总有，此种情况称为长度收缩效应。
（1）长度收缩效应的核心是：测量某物体的长度时，在高速运动物体上所测物体的长度比静止在地面上所测物体的长度短;
（2）只要两者有相对速度，观察者都会看到长度收缩效应。
4. 经典力学与相对论的比较
项目 经典力学 相对论
适用范围 低速运动，宏观世界 任何情况都使用
速度的合成 遵守平行四边形法则 不遵守平行四边形法则
速度对质量的影响 质量不变 质量随其速度的增大而变大
速度对时间的影响 无影响 时间延缓效应
速度对长度的影响 无影响 长度收缩效应
联系 以下两种情况，相对论与经典力学的结论没有区别 ①物体的速度远小于光速c(3x108m/s)时; ②普朗克常量(6.63×10-34J·s)可以忽略不计时
知识点三：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：牛顿力学对于高速运动的物体和电子、质子、中子等微观粒子是不适用的。
3、量子力学的建立能够很好地描述宏观低速运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用。
4、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。
知识点四：宇宙起源与恒星的演化
1、宇宙起源（宇宙大爆炸理论）
（1）宇宙大爆炸理论是目前广泛接受的宇宙起源理论，它表明宇宙起源于一个极度热密的初始状态，然后经历了急剧膨胀。
（2）这一理论解释了宇宙中各种天体的分布、宇宙背景辐射以及宇宙的演化历史。
（3）它是由比利时天文学家乔治 勒梅特和美国天文学家埃德温 哈勃等人提出的。
2、恒星的演化
（1）恒星初级阶段：由星云向外辐射能量，所形成的的反向推力聚集而成，类似于水的冷凝。
（2）恒星阶段：当初始星云，具备了向内运动的动力，并且聚集之后，突破星云物质分子、原子，释放大量热能的同时释放出十分巨大的空间。
（3）恒星衰老之后的演变取决于恒星的质量：当质量足够大能够压破原子核，就能形成中子星；大到能够压迫中子就可能形成所谓的黑洞；当然恒星质量不足，最终无法进入下一个阶段，只能衰变为白矮星。
如图所示，位于教室中央的光源发出一个闪光，闪光照到了教室的前壁和后壁。教室的长度为10m。在平行于教室高速运动的太空飞船上的观察者（　　）
A．测得照到前壁的光速度小于c
B．观测到飞船上的时间进程比教室快
C．测得教室的长度大于10m
D．观察到光先到达后壁
【解答】解：AD，根据光速不变原理，测得照到前壁的光速等于c，观察到光同时到达前壁和后壁，故AD错误；
C，根据长度相对论公式，l＝l0测得教室的长度小于10m，故C错误；
B，根据时间的相对性：Δt，观测到飞船上的时间进程比教室快，故B正确。
故选：B。
如图所示，惯性系S中有一棱长为1的立方体，从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上观察，则该立方体的形状是（　　）
A． B．
C． D．
【解答】解：根据相对论效应可知，沿x轴方向正方体棱长缩短，而沿y轴方向正方形棱长没有改变，则其形状变成长方体，故D正确，ABC错误。
故选：D。
下列说法正确的是（　　）
A．经典力学中物体的质量是可变的
B．经典力学中的时间和空间是独立于物体及其运动的
C．万有引力定律适用于强引力作用
D．物体的速度可以是任意数值
【解答】解：A、经典力学中物体的质量是不变的，而相对论认为物体的质量随速度发生变化。故A错误；
B、经典时空观认为时间和空间是独立于物体及其运动而存在的，而相对论时空观认为时间和空间与物体及其运动有关系，故B正确；
C、万有引力定律属于弱引力作用，不适用于强作用力，故C错误；
D、根据相对论力学，物体的能量是不连续的，所以速度也是不连续的，故D错误；
故选：B。
（多选）对于经典力学和量子力学理论，下列说法正确的是（　　）
A．经典力学能够解释微观粒子的运动规律
B．经典力学取得了巨大成就，但也有局限性
C．由于相对论与量子力学的提出，经典力学已不再适用了
D．经典力学适用于宏观物体的低速运动问题，不适用于微观粒子的高速运动问题
【解答】解：AB、经典力学有一定的局限性，经典力学只适用于宏观、低速运动的物体，不适用于高速、微观的物体。故存在一定的局限性，故A错误，B正确；
CD、相对论和量子力学的出现，并没有否定经典力学，经典力学是相对论和量子力学在低速、宏观条件下的特殊情形。故C错误，D正确。
故选：BD。
如图所示，你站在水平木杆AB的中央附近，并且看到木杆落在地面上时是两端同时着地的；若此时飞飞同学正以接近光速的速度从木杆前面掠过，则（　　）
A．飞飞同学看到木杆的B端比A端先落地
B．飞飞同学看到木杆的A端比B端先落地
C．飞飞同学看到木杆的两端同时落地
D．飞飞同学看到的木杆长度比你看到的木杆长度更长
【解答】解：ABC.当飞飞同学掠过木杆时，在她看来，木杆不仅在下落，而且木杆的B端还在朝她运动，因此，在你看来同时发生的两个事件，在飞飞同学看来首先在B端发生，故飞飞同学看到木杆的B端比A端先落地，故A正确，BC错误；
D.根据尺缩效应可知，飞飞同学看到的木杆长度比你看到的木杆长度更短，故D错误。
故选：A。
一艘航天器以0.8倍的光速沿如图所示的方向通过AB。地面观测者测得A、B两点距离L1，经过过时间t1；航天器驾驶员观测到A、B两点距离L2，经过时间t2。则（　　）
A．L1＝L2 B．L1＞L2 C．t1＝t2 D．t1＜t2
【解答】解：根据相对论长度公式：可知，航天器驾驶员观测到A、B两点距离L2小于地面上人观测的距离L1，即L2＜L1；根据位移与速度的比值即为时间，则地面观测者测得航天器经过A、B两点所用时间，而航天器驾驶员测得经过A、B两点所用时间，由于L2＜L1，故t1＞t2，故B正确，ACD错误。
故选：B。
2021年10月5日，三位科学家因为他们立于科学前沿探索世间奥秘，而共享诺贝尔物理学奖。物理学史上许多物理学家的科学研究推动了人类文明的进程，关于相对论时空观与牛顿力学的局限性，下列说法正确的是（　　）
A．经典力学能够说明微观粒子的规律性，仍能适用于宏观物体的高速运动问题
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
【解答】解：AD、经典力学在微观物体不再实用，经典力学的实用于宏观、低速运动的物体，故AD错误；
B、相对论与量子力学的出现并没有否定经典力学，经典力学在人们的生活中意义不会因为新的理论诞生而失去意义，故B错误；
C、经典力学是指牛顿三定律为核心的矢量力学，适用于宏观低速的物体，故C正确
故选：C。
以下说法正确的是（　　）
A．经典力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用
B．经典力学理论的成立具有一定的局限性
C．在相对论中，物体的质量不随运动状态而改变
D．相对论与量子力学否定了经典理论
【解答】解：A、B、经典力学有一定的局限性，经典力学只适用于宏观、低速运动的物体，不适用于高速、微观的物体。所以A错误，B正确。
C、在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，当物体做高速运动时，根据相对论，质量随速度的增加而增大。所以C错误。
D、相对论和量子力学的出现，并没有否定经典力学，经典力学是相对论和量子力学在低速、宏观条件下的特殊情形。所以D错误。
故选：B。
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．0.4c B．0.5c C．0.9c D．1.0c
【解答】解：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ABC错误，D正确。
故选：D。
下列说法正确的是（　　）
A．经典力学能够说明微观粒子的规律性
B．经典力学适用于宏观物体的低速运动问题，不适用于高速运动问题
C．相对论和量子力学的出现，表示经典力学已失去意义
D．对于宏观物体的高速运动问题，经典力学仍能适用
【解答】解：1、经典力学有一定的局限性，经典力学只适用于宏观、低速运动的物体，不适用于高速、微观的物体。所以A错、D错，B正确。
2、相对论和量子力学的出现，并没有否定经典力学，经典力学是相对论和量子力学在低速、宏观条件下的特殊情形。所以C错。
故选：B。
真空中光速为c。如图为一车厢，向右做匀速直线运动，v＝0.9c，车厢内中心有一光源，上方有一个接收器，车厢内可视为真空。车厢内的人测得车厢长为L1，则地面上的人测得车厢长为L2，则（　　）
A．L1＜L2 B．L1＝L2 C．L1＞L2 D．无法判断
【解答】解：根据尺缩效应，车厢内的人测得车厢长为L1，则地面上的人测得车厢长为
故C正确，ABD错误。
故选：C。
如图所示，一同学在教室上课，教室的长度为9m，教室中间位置有一光源．有一飞行器从前向后高速通过教室外侧，已知光速为c，飞行器中的飞行员认为（　　）
A．教室中的时钟变快
B．教室的长度大于9m
C．从光源发出的光先到达教室后壁
D．光源发出的光，向后的速度小于c
【解答】解：AB、根据爱因斯坦的相对论，可知飞行器中的飞行员认为看到教室中的时钟变慢，教室的长度变短，即长度小于9m，故AB错误；
C、教室中的人认为，光向前向后传播的速度相等，光源在教室中央，光同时到达前后两壁，飞行器中的飞行员是一个惯性系，光向前向后传播的速度相等，向后壁传播的路程短些，到达后壁的时刻早些，故C正确；
D、根据光速不变理论，无论光源与观察者之间做怎样的相对运动，光速都是一样的，故D错误；
故选：C。
爱因斯坦于1905年在德国《物理年鉴》发表了论文《论动体的电动力学》，论文首次提出狭义相对论。假设一艘太空飞船静止时的长度为30m，它以0.6c（c为光速）的速度沿长度方向飞行越过地球，根据狭义相对论，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30m
B．地球上的观测者测得该飞船的长度小于30m
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
【解答】解：A、飞船上的观测者相对于飞船是静止的，所以飞船上的观测者测得该飞船的长度是静止时的长度，为30m，故A错误；
B、飞船以0.6c的速度沿长度方向飞行越过地球，根据相对论尺缩效应分析可知地球上的观测者测得该飞船的长度小于30m，故B正确；
CD、根据狭义相对论的光速不变原理，飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度等于c，地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度也等于c，故CD错误；
故选：B。
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