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第5节　相对论时空观与牛顿力学的局限性
1．相对论时空观
(1)绝对时空观：时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的，也叫牛顿力学时空观。
(2)爱因斯坦假设：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。
(3)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)都跟物体的运动状态有关。
①时间延缓效应：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＝，由于1－2<1，所以总有Δt>Δτ。
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l＝l0 ，由于1－2<1，所以总有l2．牛顿力学的成就与局限性
(1)牛顿力学的基础是牛顿运动定律，它在宏观、低速的领域里与实际相符合，但是物体在以接近光速运动时所遵从的规律，有些与牛顿力学的结论并不相同。
(2)电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们运动的规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明，而量子力学能够很好地描述微观粒子运动的规律。
(3)当物体的运动速度远小于光速c时(c＝3×108 m/s)时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别。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。相对论与量子力学都没有否定牛顿力学，而只认为牛顿力学是它们在一定条件下的特殊情形。
典型考点一　　　相对论时空观
1．一颗以0.1c的速度朝地球运动的星突然爆炸变为一颗明亮的超新星，爆炸所发出的光离开这颗超新星的速度为________，在地球测量，这束光射向地球的速度为________。
答案　3×108 m/s　3×108 m/s
解析　这颗超新星和地球都可近似看成是惯性系，因在一切惯性参考系中，真空中的光速都相同的，因此光以c＝3×108 m/s的速度离开超新星，也以这个速度射向地球。
2．一张宣传画5 m见方，平行地贴于铁路旁边的墙上，一超高速列车以2×108 m/s的速度接近此宣传画，这张画由司机测量时的宽度为________ m，高度为________ m。
答案　3.7　5
解析　垂直速度方向的长度不变，仍然是5 m，运动方向上长度变短，为l＝l0 ＝5× m≈3.7 m。
所以，司机看到的画的尺寸为：高5 m，宽3.7 m，宣传画的形状由正方形变成了长方形。
3.甲、乙两人站在地面上时身高都是L0，甲、乙分别乘坐速度为0.6c和0.8c(c为光速)的飞船同向运动，如图所示。此时乙观察到甲的身高L________L0；若甲向乙挥手，动作时间为t0，乙观察到甲动作时间为t1，则t1________t0。(均选填“＞”“＝”或“＜”)
答案　＝　>
解析　因为人站立时是垂直于飞船速度方向的，没有长度收缩效应，身高L＝L0；乙比甲运动得快，故根据相对论的时间延缓效应，t1>t0。
4．设想飞船在甲、乙两个相距8亿千米的星球间飞行，甲、乙两星球及飞船上各有一个巨大的钟，现飞船相对星球以0.75c(c是真空中光速)的速度离开甲星球飞向乙星球，飞船经过甲星球时，三个钟均调整指到3：00整。则当飞船飞过乙星球的瞬间，飞船内的人看到乙星球上的钟指向的时间为________，看到飞船上的钟指向的时间为________。
答案　4：00　3：40
解析　在乙星球的观察者看来，飞船飞越的时间为：
t＝ s≈3600 s＝1 h
所以，飞船内的人看到乙星球上的钟指到4：00整。
在飞船内的观察者看来，飞船飞越的时间t′为：
t′＝t ＝1× h≈0.66 h≈40 min
所以，飞船内的人看到飞船上的钟指到3：40。
典型考点二　　　牛顿力学的成就与局限性
5．(多选)下面说法中正确的是(　　)
A．当物体运动速度远小于光速时，相对论物理学和牛顿力学的结论没有区别
B．当物体运动速度接近光速时，相对论物理学和牛顿力学的结论没有区别
C．当普朗克常量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
D．当普朗克常量h不能忽略不计时(h＝6.63×10－34 J·s)，量子力学和牛顿力学的结论没有区别
答案　AC
解析　牛顿力学可以认为是相对论物理学在低速(远小于光速)状态下的特例，是量子力学在宏观(h可以忽略不计)状态下的特例，A、C正确。
6．(多选)以下说法正确的是(　　)
A．牛顿力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用
B．牛顿力学理论的成立具有一定的局限性
C．在牛顿力学中，物体的长度不随运动状态的改变而改变
D．相对论与量子力学否定了牛顿力学理论
答案　BC
解析　牛顿力学理论只适用于宏观、低速运动的物体，A错误；牛顿力学只在一定条件下适用，具有一定局限性，B正确；牛顿力学研究的是低速运动问题，物体的长度变化很小，可以认为不变，C正确；相对论和量子力学并没有否定牛顿力学，认为牛顿力学是在一定条件下的特殊情形，D错误。

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