2024年4月24日发(作者：秘量)

5 相对论时空观与牛顿力学的局限性

[学习目标] 1.了解相对论时空观，知道时间延缓效应和长度收缩效应.2.认识牛顿力学的成

就、适用范围及局限性.3.了解科学理论的相对性，体会科学理论是不断发展和完善的．

一、相对论时空观

1．19世纪，英国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.

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(填“相符”或“不

符”)．

3．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．

4．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＝

Δτ

v

1－

2

c

.

(2)Δt与Δτ的关系总有Δt＞Δτ(填“>”“<”或“＝”)，即物理过程的快慢(时间进程)与运动

状态有关．(填“有关”或“无关”)

5．长度收缩效应：

(1)如果与杆相对静止的人测得杆长是l

0

，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＝l

0

v

1－

2

.

c

(2)l与l

0

的关系总有l＜l

0

(填“>”“<”或“＝”)，即运动物体的长度(空间距离)跟物体的运

动状态有关．(填“无关”或“有关”)

二、牛顿力学的成就与局限性

1．牛顿力学的成就：牛顿力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律的建立与应用更是确立

了人们对牛顿力学的尊敬．

2．牛顿力学局限性：牛顿力学的适用范围是低速(填“高速”或“低速”)运动的宏观(填“宏

观”或“微观”)物体．

(1)当物体以接近光速运动时，有些规律与牛顿力学的结论不相同．

(2)电子、质子、中子等微观粒子的运动规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明．

3．牛顿力学不会被新的科学成就所否定，当物体的运动速度远小于光速c时，相对论物理学

与牛顿力学的结论没有区别．

判断下列说法的正误．

(1)运动的时钟显示的时间变慢，高速飞行的μ子的寿命变长．( √ )

(2)沿着杆的方向，相对于观察者运动的杆的长度变短．( √ )

(3)经典力学只适用于世界上普通的物体，研究天体的运动经典力学就无能为力了．( × )

(4)洲际导弹的速度可达到6 000 m/s，在这种高速运动状态下，经典力学不适用．( × )

(5)对于质子、电子的运动情况，经典力学同样适用．( × )

一、相对论时空观

导学探究 地球绕太阳公转的速度是3×10

4

m/s，设在美国伊利诺斯州费米实验室的圆形粒

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？

(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 (1)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)不相同，随飞船旅行的时钟变慢．

知识深化

1．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．

2．相对论的两个效应

(1)时间延缓效应：运动时钟会变慢，即Δt＝

Δτ

v

1－

2

c

.

(2)长度收缩效应：运动长度会收缩，即l＝l

0

v

1－

2

.

c

在静止坐标系中的正立方体边长为l

0

，另一坐标系以相对速度v平行于正立方体的一

边运动．问在后一坐标系中的观察者测得的立方体的体积是多少？

2024年4月24日发(作者：秘量)

5 相对论时空观与牛顿力学的局限性

[学习目标] 1.了解相对论时空观，知道时间延缓效应和长度收缩效应.2.认识牛顿力学的成

就、适用范围及局限性.3.了解科学理论的相对性，体会科学理论是不断发展和完善的．

一、相对论时空观

1．19世纪，英国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.

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(填“相符”或“不

符”)．

3．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．

4．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＝

Δτ

v

1－

2

c

.

(2)Δt与Δτ的关系总有Δt＞Δτ(填“>”“<”或“＝”)，即物理过程的快慢(时间进程)与运动

状态有关．(填“有关”或“无关”)

5．长度收缩效应：

(1)如果与杆相对静止的人测得杆长是l

0

，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＝l

0

v

1－

2

.

c

(2)l与l

0

的关系总有l＜l

0

(填“>”“<”或“＝”)，即运动物体的长度(空间距离)跟物体的运

动状态有关．(填“无关”或“有关”)

二、牛顿力学的成就与局限性

1．牛顿力学的成就：牛顿力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律的建立与应用更是确立

了人们对牛顿力学的尊敬．

2．牛顿力学局限性：牛顿力学的适用范围是低速(填“高速”或“低速”)运动的宏观(填“宏

观”或“微观”)物体．

(1)当物体以接近光速运动时，有些规律与牛顿力学的结论不相同．

(2)电子、质子、中子等微观粒子的运动规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明．

3．牛顿力学不会被新的科学成就所否定，当物体的运动速度远小于光速c时，相对论物理学

与牛顿力学的结论没有区别．

判断下列说法的正误．

(1)运动的时钟显示的时间变慢，高速飞行的μ子的寿命变长．( √ )

(2)沿着杆的方向，相对于观察者运动的杆的长度变短．( √ )

(3)经典力学只适用于世界上普通的物体，研究天体的运动经典力学就无能为力了．( × )

(4)洲际导弹的速度可达到6 000 m/s，在这种高速运动状态下，经典力学不适用．( × )

(5)对于质子、电子的运动情况，经典力学同样适用．( × )

一、相对论时空观

导学探究 地球绕太阳公转的速度是3×10

4

m/s，设在美国伊利诺斯州费米实验室的圆形粒

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？

(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 (1)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)不相同，随飞船旅行的时钟变慢．

知识深化

1．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．

2．相对论的两个效应

(1)时间延缓效应：运动时钟会变慢，即Δt＝

Δτ

v

1－

2

c

.

(2)长度收缩效应：运动长度会收缩，即l＝l

0

v

1－

2

.

c

在静止坐标系中的正立方体边长为l

0

，另一坐标系以相对速度v平行于正立方体的一

边运动．问在后一坐标系中的观察者测得的立方体的体积是多少？