5相對論時空觀與牛頓力學的局限性核心目標1.知道牛頓力學只適用于低速、宏觀物體的運動。知道相對論、量子論有助于人類認識高速、微觀領域。2.知道愛因斯坦狹義相對論的基本假設，知道長度相對性和時間間隔相對性的表達式。【閱讀+理解】提前學知識要點問題設想人類可以利用飛船以0.2c的速度進行星際航行。若飛船向正前方的某一星球發射一束激光，該星球上的觀察者測量到的激光的速度是多少？1.相對論時空觀生活經驗讓我們體會到，時間像一條看不見的“長河”，均勻地自行流逝著，空間像一個廣闊無邊的房間，它們都不影響物體及其運動。也就是說，時間與空間都是獨立于物體及其運動而存在的。這種絕對時空觀，也叫牛頓力學時空觀。我們知道，若河中的水以相對于岸的速度v水岸流動，河中的船以相對于水的速度v船水順流而下，則船相對于岸的速度為v船岸＝v船水＋v水岸因此，前面問題的答案似乎應為1.2c。然而，事實并非如此！19世紀，英國物理學家麥克斯韋根據電磁場理論預言了電磁波的存在，并證明電磁波的傳播速度等于光速c。人們自然要問：這個速度是相對哪個參考系而言的？一些物理學家對這個問題進行了研究。在實驗研究中，1887年的邁克耳孫—莫雷實驗以及其他一些實驗表明：在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的！這與牛頓力學中不同參考系之間的速度變換關系不符。在牛頓力學理論與電磁波理論的矛盾與沖突面前，一些物理學家仍堅持原有理論的基礎觀念，進行一些修補的工作，而愛因斯坦、龐加萊等人則主張徹底放棄某些與實驗和觀測不符的觀念，如絕對時間的概念，提出能夠更好地解釋實驗事實的假設。愛因斯坦假設：在不同的慣性參考系中，物理規律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的。在經典物理學家的頭腦中，如果兩個事件在一個參考系中是同時的，在另一個參考系中一定也是同時的。但是，如果接受了愛因斯坦的兩個假設，還是這樣嗎？愛因斯坦的假說以及在此假說基礎上得出的結論，經受住了實驗的檢驗，對現代物理學和人類的思想發展都有很大的影響。假設一列火車沿平直軌道飛快地勻速行駛。車廂中央的光源發出了一個閃光，閃光照到了車廂的前壁和后壁。車上的觀察者以車廂為參考系，因為車廂是個慣性系，光向前、后傳播的速率相同，光源又在車廂的中央，閃光當然會同時到達前后兩壁（如圖甲）。對于車下的觀察者來說，他以地面為參考系，因閃光向前、后傳播的速率對地面也是相同的，在閃光飛向兩壁的過程中，車廂向前行進了一段距離，所以向前的光傳播的路程長些。他觀測到的結果應該是：閃光先到達后壁，后到達前壁（圖乙）。因此，這兩個事件不是同時發生的。在愛因斯坦兩個假設的基礎上，經過嚴格的數學推導，可以得到下述結果。如果相對于地面以v運動的慣性參考系上的人觀察到與其一起運動的物體完成某個動作的時間間隔為Δτ，地面上的人觀察到該物體在同一地點完成這個動作的時間間隔為Δt，那么兩者之間的關系是Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－eq\f(v2,c2)))（1）由于1－eq\f(v2,c2)<1，所以總有Δt>Δτ，此種情況稱為時間延緩效應。如果與桿相對靜止的人測得桿長是l0，沿著桿的方向，以v相對桿運動的人測得桿長是l，那么兩者之間的關系是l＝l0eq\r(1eq\f(v2,c2))（2）由于1－eq\f(v2,c2)<1，所以總有l<l0，此種情況稱為長度收縮效應。（1）式和（2）式表明：運動物體的長度（空間距離）和物理過程的快慢（時間進程）都跟物體的運動狀態有關。這個結論具有革命性的意義，它所反映的時空觀稱作相對論時空觀。要驗證（1）（2）兩式是否正確，首先要找到高速運動的物體。科學家發現μ子以0.99c甚至更高的速度飛行。根據經典理論可計算每秒到達地球的μ子數，這個數值小于實際觀察到的μ子數。觀察到的現象與經典理論產生了矛盾。思考與討論已知μ子低速運動時的平均壽命是3.0μs。當μ子以0.99c的速度飛行，若選擇μ子為參考系，此時μ子的平均壽命是多少？對于地面上的觀測者來說，平均壽命又是多少？相對于光速而言，低速運動即可近似認為速度為0，即若選擇與μ子一起運動的某一物體為參考系，此時μ子的平均壽命是3.0μs。對于地面上的觀測者來說，由（1）式計算可知μ子平均壽命約為21μs。由于平均壽命增大，飛行的距離也變大，因而在地面附近實際觀測到的μ子的數量就大于經典理論作出的預言。相對論時空觀的第一次宏觀驗證是在1971年進行的。當時在地面上將四只銫原子鐘調整同步，然后把它們分別放在兩架噴氣式飛機上做環球飛行，一架向東飛，另一架向西飛。兩架飛機各繞地球飛行一周后回到地面，與留在地面上的銫原子鐘進行比較。實驗結果與相對論的理論預言符合得很好。在這個實驗中，原子鐘計時的差異實際是狹義相對論和廣義相對論兩種效應的結果。高速運動的μ子壽命變長這一現象，用經典理論無法解釋，用相對論時空觀可得到很好的解釋。這一研究結果成了相對論時空觀的最早證據。2.牛頓力學的成就與局限性如果一定要舉出某個人、某一天作為近代科學誕生的標志，我選牛頓《自然哲學的數學原理》在1687年出版的那一天。——楊振寧牛頓力學的基礎是牛頓運動定律，萬有引力定律的建立與應用更是確立了人們對牛頓力學的尊敬。從地面上物體的運動到天體的運動，從攔河筑壩、修建橋梁到設計各種機械，從自行車到汽車、火車、飛機等現代交通工具的運動，從投出籃球到發射導彈、人造地球衛星、宇宙飛船……所有這些都服從牛頓力學的規律。牛頓力學在如此廣闊的領域里與實際相符合，顯示了牛頓運動定律的正確性和牛頓力學的魅力。但是，通過前面的學習，我們已經知道物體在以接近光速運動時所遵從的規律，有些是與牛頓力學的結論并不相同的。除了高速運動，牛頓力學在其他方面是否也有局限性？19世紀末和20世紀初，物理學研究深入到微觀世界，發現了電子、質子、中子等微觀粒子，而且發現它們不僅具有粒子性，同時還具有波動性，它們的運動規律在很多情況下不能用牛頓力學來說明。20世紀20年代，量子力學建立了，它能夠很好地描述微觀粒子運動的規律，并在現代科學技術中發揮了重要作用。然而，基于實驗檢驗的牛頓力學不會被新的科學成就所否定，而是作為某些條件下的特殊情形，被包括在新的科學成就之中。當物體的運動速度遠小于光速c時（c＝3×108m/s），相對論物理學與經典物理學的結論沒有區別；當另一個重要常數即普朗克常量h可以忽略不計時（h＝6.63×1034J·s），量子力學和牛頓力學的結論沒有區別。相對論與量子力學都沒有否定過去的科學，而只認為過去的科學是自己在一定條件下的特殊情形。像一切科學一樣，牛頓力學沒有也不會窮盡一切真理，它也有自己的局限性。它像一切科學理論一樣，是一部“未完成的交響曲”。科學漫步1.宇宙的起源與演化按照萬有引力定律，宇宙中的星系之間存在引力，隨著時間的推移，它們有可能會互相靠攏。然而，1929年美國天文學家哈勃發現，銀河系以外的大多數星系都在遠離我們而去，距離越遠，離開的速度越大。這表明，我們所處的宇宙正在膨脹。我們可以用一個形象的方式來加以說明。各個星系就像是同一個氣球表面的不同圖案，當氣球越吹越大時，氣球表面上各圖案之間的距離就會越來越遠。宇宙在不斷膨脹，這意味著它在以前一定比現在小。1948年，伽莫夫提出了宇宙大爆炸理論。大爆炸理論成功地解釋了很多觀測事實。例如，它預言早期的宇宙發出溫度極高的輻射，隨著宇宙的膨脹，溫度降低，輻射波長變長，至今應該在微波波段。1964～1965年，美國科學家彭齊亞斯和威爾遜檢測到了這種微波背景輻射并因此獲得1978年諾貝爾物理學獎。如圖是普朗克探測器記錄下的微波天空，黃色斑點表示宇宙微波背景輻射，也就是大爆炸的殘余輻射。多方面的分析表明，我們的宇宙是在約138億年以前從一個尺度極小的狀態發展演化來的。在這個過程中，宇宙的溫度從高到低，先是生成一些基本粒子形態的物質，接著產生了原子、分子等各種物質，物質再進一步聚集起來形成星系，成為我們今天看到的宇宙。宇宙留給人們的思考和疑問深邃而廣闊。宇宙有沒有邊界？有沒有起始和終結？地外文明在哪里？……愛因斯坦曾經說過：“一個人最完美和最強烈的情感來自面對不解之謎。”你想加入探究宇宙之謎的行列嗎？2.恒星的演化天文學家根據對各種恒星的觀測和理論研究，弄清楚了恒星演化的整個過程，并認識到恒星的壽命主要取決于它的質量。根據大爆炸宇宙學，大爆炸10萬年后，溫度下降到了3000K左右，出現了由中性原子構成的宇宙塵埃。由于萬有引力的作用，形成了更密集的塵埃。塵埃像滾雪球一樣越滾越大，形成了氣體狀態的星云團。星云團的凝聚使得溫度升高，到一定程度星云團就開始發光。于是，恒星誕生了。這顆星繼續收縮升溫，當溫度超過107K時，氫通過熱核反應成為氦，釋放的核能主要以電磁波的形式向外輻射。輻射產生的擴張壓力與引力產生的收縮壓力平衡，這時星體穩定下來。恒星最后的歸宿是什么？這與恒星的質量大小有關。如果恒星的質量介于1～8倍太陽質量，它會演變為白矮星，即體積很小，但質量不太小的恒星。如果恒星的質量是太陽質量的10～20倍，更強大的壓力使得原子中的電子和質子被壓在一起，整個恒星成為中子組成的天體，叫作中子星。當恒星的質量更大時，其內部的任何物質都無法抵抗巨大引力產生的壓力，物質被“壓”成了更為神奇的天體——黑洞。幾十年來，科學家們一直在尋找黑洞。2016年2月11日，科學家宣布激光干涉引力波天文臺（LIGO）（如圖）探測到了由黑洞合并產生的一個時間極短的引力波信號，這次探測和后來的探測結果證明了黑洞的存在。【理解+記憶】常思考筆記重點一、相對論時空觀1.絕對時空觀，也叫牛頓力學時空觀：時間與空間都是獨立于物體及其運動而存在的。2.麥克斯韋證明電磁波的傳播速度等于光速c，一些實驗表明在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的．這與牛頓力學中不同參考系之間的速度變換關系不符．3.在矛盾與沖突面前，愛因斯坦提出假設：在不同的慣性參考系中，物理規律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的．4.時間延緩效應、長度收縮效應表明：運動物體的長度（空間距離）和物理過程的快慢（時間進程）都跟物體的運動狀態有關。這就是相對論時空觀。二、牛頓力學的成就與局限1.牛頓力學的成就（1）牛頓力學的基礎是牛頓運動定律，萬有引力定律的建立與應用更是確立了人們對牛頓力學的尊敬。（2）從地面上物體的運動到天體的運動，牛頓力學在廣闊的領域里與實際相符合，顯示了牛頓運動定律的正確性和牛頓力學的魅力。2牛頓力學的局限性電子、質子、中子等微觀粒子，它們不僅具有粒子性，同時還具有波動性，它們的運動規律在很多情況下不能用牛頓力學來證明．3.牛頓力學的適用范圍只適用于低速運動，不適用于高速運動；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界．(1)低速：通常所見物體的運動，如行駛的汽車、發射的導彈、人造地球衛星及宇宙飛船等物體皆為低速運動的物體．(2)高速：有些微觀粒子在一定條件下其速度可以與光速相接近，這樣的速度稱為高速．4.相對論物理學與經典物理學的聯系當物體的運動速度遠小于光速c(c＝3×108m/s)時，相對論物理學與經典物理學的結論沒有區別；當另一個重要常數即普朗克常量h(h＝6.63×10－34J·s)可以忽略不計時，量子力學和牛頓力學的結論沒有區別．相對論與量子力學都沒有否定過去的科學，而是認為過去的科學是自己在一定條件下的特殊情形．【例題+解析】當檢測深究錯題1.(多選)(2020·普寧檢測)關于時間和空間，下列說法中正確的有()A.因為時間是絕對的，所以我們在不同的參考系中觀察到的時間進程都是相同的B.空間與時間之間是沒有聯系的C.有物質才有空間和時間D.在一個確定的參考系中觀察，運動物體的空間距離和時間進程跟物體的運動狀態有關1.CD解析：經典物理學中空間和時間是脫離物質存在的，是絕對的，空間與時間之間是沒有聯系的，在相對論中，時間和空間是和物質的運動相聯系的，只有在物質存在時才有空間和時間的概念，時間和空間是相互聯系的且是相對的，選項C、D正確．2.（2022江蘇省宿遷市泗陽縣實驗高級中學高一（下）第一次月考）關于經典力學、相對論、量子力學，下列說法正確的是（）A.不論是對宏觀物體，還是對微觀粒子，經典力學和量子力學都是適用的B.經典力學適用于低速運動物體，相對論適用于高速運動的物體C.經典力學適用于宏觀物體的運動，量子力學適用于微觀粒子的運動D.相對論與量子力學否定了經典力學理論2.C解析經典力學適用于宏觀、低速運動的物體，對于微觀、高速運動的物體不再適用，量子力學適用于微觀粒子運動，相對論適用于一切運動物體，AB錯誤，C正確；相對論與量子力學并沒有否定經典力學，而是在其基礎上發展起來的，D錯誤。故選C。3.（2022安徽省合肥市宏圖中學高一（下）期中）關于牛頓力學，下列說法正確的是（）A.牛頓力學無法解決微觀物體的運動問題B.在不同的參考系中光的傳播速度都相同，這與牛頓力學規律相符C.物體在以接近光速運動時所遵從的規律是與牛頓力學相符的D.牛頓力學既適用于宏觀、低速運動問題，又能用于高速運動問題3.A解析牛頓力學的適用范圍是宏觀低速的運動問題，對于微觀高速物體的運動無法解決，A正確，D錯誤；在不同的參考系中光的傳播速度都相同，這與牛頓力學規律不相符，牛頓認為同一物體取不同的參考系，物體的運動的是不同的，B錯誤；物體在以接近光速運動時所遵從的規律是與愛因斯坦相對論符合的，與牛頓定律不符，C錯誤；故選A。4.(2020·青島高一檢測)半人馬星座α星是離太陽系最近的恒星，它距地球為4.3×1016m．設有一宇宙飛船自地球往返于半人馬星座α星之間．(1)若宇宙飛船的速率為0.999c，按地球上時鐘計算，飛船往返一次需多少時間？(2)如以飛船上時鐘計算，往返一次的時間又為多少？4(1)2.87×108s(2)1.28×107s解析：(1)由于題中恒星與地球的距離s和宇宙飛船的速度v均是地球上的觀察者測量的，故飛船往返一次，地球時鐘所測時間間隔Δt＝eq\f(2s,v)＝2.87×108s(2)從相對論的時間延緩效應考慮，把飛船離開地球和回到地球視為兩個事件，顯然飛船上的鐘測出兩事件的時間間隔Δt′是固定的，地球上所測的時間間隔Δt與Δt′之間滿足時間延緩效應的關系式．以飛船上的時鐘計算，飛船往返一次的時間間隔為Δt′＝Δteq\r(1－\f(v2,c2))＝1.28×107s【作業+練習】強基礎提升能力【作業】1.一列火車以速度v相對地面運動（圖7.54）。如果地面上的人測得，某光源發出的閃光同時到達車廂的前壁后壁，那么按照火車上人的測量，閃光先到達前壁還是后壁？火車上的人怎樣解釋自己的測量結果？2.以約8km/s的速度運行的人造地球衛星上一只完好的手表走過了1min，地面上的人認為它走過這1min“實際”上花了多少時間？3.一枚靜止時長30m的火箭以3km/s的速度從觀察者的身邊掠過，觀察者測得火箭的長度應為多少？火箭上的人測得火箭的長度應為多少？如果火箭的速度為光速的一半呢？【作業參考答案】【練習】1．下列運動中不能用經典力學規律描述的是（）A．子彈的飛行 B．粒子接近光速的運動C．人造衛星繞地球運動 D．和諧號從南通向上海飛馳2．關于經典時空觀和相對論時空觀，下列說法錯誤的是（）A．經典時空觀認為時間和空間是獨立于物體及其運動而存在的B．相對論時空觀認為時間和空間與物體及其運動有關系C．研究接近光速的粒子不適合使用經典力學D．當物體的運動速度遠小于光速時，相對論和經典力學的結論仍有很大的區別3.經典力學只適用于“宏觀世界”，這里的“宏觀世界”是指()A.行星、恒星、星系等巨大的物質領域B.地球表面上的物質世界C.人眼能看到的物質世界D.不涉及分子、原子、電子等微觀粒子的物質世界4.（2022廣東省深圳市光明區高級中學年高一（下）期中）2021年10月5日，三位科學家因為他們立于科學前沿探索世間奧秘，而共享諾貝爾物理學獎。物理學史上許多物理學家的科學研究推動了人類文明的進程，關于相對論時空觀與牛頓力學的局限性，下列說法正確的是（）

A.經典力學能夠說明微觀粒子的規律性，仍能適用于宏觀物體的高速運動問題B.相對論與量子力學的出現否定了經典力學，表示經典力學已失去意義C.經典力學并不等于牛頓運動定律，牛頓運動定律只是經典力學的基礎D.經典力學在現代廣泛應用，它的正確性無可懷疑，仍是普遍適用的5.下列說法中不正確的是()A.一根桿的長度不會因為觀察者是否與桿做相對運動而不同，這是經典物理學家的觀點B.一根沿自身長度方向運動的桿，其長度總比桿靜止時的長度小C.一根桿的長度靜止時為l0，不管桿如何運動，桿的長度均小于l0D.如果兩根平行的桿在沿自己的長度方向上做相對運動，與它們一起運動的兩位觀察者都會認為對方的桿縮短了6.能用來計時的鐘表有多種，如圖所示，從左到右依次為沙漏計時儀器、電子表、機械鬧表、生物鐘．由相對論的知識可知，物體的運動可以使得某一種計時儀器變慢，則也一定能使所有的計時儀器變得一樣慢．則對上述表述理解正確的是()A.正確，對各式計時儀器的影響一定相同B.錯誤，對各式計時儀器的影響不一定相同C.AB兩個選項分別說明了兩種不同情況下的影響D.以上答案均錯誤7.如圖所示，車廂長為L，正以速度v(v很大)勻速向右運動，車廂底面光滑，現有兩只完全相同的小球，從車廂中點以相同的速度v0分別向前、后兩個方向勻速運動(相對于車廂)．問：(1)在車廂內的觀察者看來，小球________(填“能”或“不能”)同時到達兩壁．(2)在地面上的觀察者看來，小球________(填“能”或“不能”)同時到達兩壁．(第10題)(第11題)8.甲、乙兩人站在地面上時身高都是L0，甲、乙分別乘坐速度為0.6c和0.8c(c為光速)的飛船同向運動，如圖所示．此時乙觀察到甲的身高L________L0；若甲向乙揮手，動作時間為t0，乙觀察到甲動作時間為t1，則t1________t0.(均選填“＞”“＝”或“＜”)9.慣性系s中有一邊長為l的正方形(如圖A所示)，從相對s系沿x方向以接近光速勻速飛行的飛行器上測得該正方形的圖像是()ABCD10.如圖所示，A、B、C是三個完全相同的時鐘，A放在地面上，B、C分別放在以速度vB和vC朝同一方向飛行的兩枚火箭上，且vB＜vC.地面上的觀察者認為哪個時鐘走得最慢？哪個時鐘走得最快？【練習參考答案】水平達成1.B解析：經典力學的適用范圍是宏觀、低速情形，子彈的飛行、人造衛星繞地球的運行、列車的運動，經