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5 相对论时空观与牛顿力学的局限性
第七章 万有引力与宇宙航行
High school physics
知道时间延缓效应及长度收缩效应结论的内容。
02
知道爱因斯坦的两个假设的内容。
01
了解相对论、量子力学和经典力学的关系。
03
重难点
重点
04
认识经典力学的局限性和适用范围。
01
相对论时空观
地球绕太阳公转的速度是3×104m/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：
(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？
答案　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。
(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？
答案　不相同。
随飞船旅行的时钟变慢。
1.19世纪，物理学家麦克斯韦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等于光速c 。
麦克斯韦
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，光的传播速度都是一样的！
这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符。
迈克尔逊
(Albert Abraban Michelsom,1852-1931)
(1)在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。
(2)光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是
相同的。
爱因斯坦
3.爱因斯坦假设
(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，即物理过程的快慢(时间进程)跟物体的运动状态有关。
4.相对论时空观
(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。
(2)长度收缩效应
②l与l0的关系总有l1.设某人在速度为0.5c的飞船上打开一个光源(c为真空中的光速)，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.(2024·扬州市高一期中)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vB和vC朝同一方向飞行的两个火箭上，且vB>vC。地面上的观察者认为走得最慢的时钟是
A.A时钟 B.B时钟
C.C时钟 D.无法确定
√
根据公式Δt=可知，相对于观察者的速度v越大，其上的时间进程越慢，B时钟相对于观察者的速度最大，所以B走得最慢。地面上的钟A的速度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，故B正确，A、C、D错误。
3.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)
√
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。
02
牛顿力学的成就与局限性
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
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
牛顿力学的成就
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
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
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
牛顿力学的局限性
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
牛顿力学的适用范围
B
高速
A
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为低速运动的物体
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。
相对论和量子力学是不是否定了牛顿力学？ 说说你的看法。
答案　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。
PK
(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运动的粒子，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。

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