1.知道爱因斯坦的两条假设，了解时间延缓效应、长度收缩效应，认识牛顿力学的成就与局限性。

2.知道牛顿力学的适用范围，认识物理学中理论的相对稳定性，要有质疑精神。

3.认识迈克耳孙—莫雷实验对光速不变原理的推动作用，体会实验和理论的相互关系。

1.物理观念：爱因斯坦的相对论。

2.科学思维：质疑与实验论证。

自主探究（一）　相对论时空观

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＝。

(2)长度收缩效应：运动长度会收缩，即l＝l₀。

3.对于低速运动的物体，相对论效应可以忽略不计，一般用经典力学规律来处理；对于高速运动问题，经典力学不再适用，需要用相对论知识来处理。

【例1】 关于相对论时空观的说法正确的是(　　)

A.在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的

B.在一切惯性参考系中，光在真空中的速度都等于c，并且还与光源的运动有关

C.在牛顿力学时空观中认为同时发生的事件，在相对论时空观中也是同时发生的

D.时间和空间是永恒不变的

答案　A

解析　相对论时空观中，在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，选项A正确；在一切惯性参考系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关，选项B错误；相对论时空观中，时间和空间具有相对性，故选项C、D错误。

【例2】 (2021·江西吉安高一月考)如图所示，a、b、c为三个完全相同的时钟，a放在水平地面上，b、c分别放在以速度v_b、v_c向同一方向飞行的两枚火箭上，且v_b<v_c，则地面的观察者认为走得最慢的钟为(　　)

A.a                      B.b

C.c                      D.无法确定

【答案】　C

【解析】　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，由v_c>v_b>v_a，知c钟走得最慢。

【例3】 如图所示，两艘飞船A、B沿同一直线同向飞行，相对地面的速度均为v(v接近光速c)。地面上测得它们相距为L，则A测得两飞船间的距离________(选填“大于”“等于”或“小于”)L。当B向A发出一光信号，A测得该信号的速度为________。

【答案】　大于　c(或光速)

【解析】　从飞船A测量时飞船B是静止的，从地面上测量时两飞船都是运动的，由相对论的“长度收缩效应”知运动长度要缩短，故从地面测得的飞船间距小。由光速不变原理知光信号的传播速度与参考系是无关的，故A测得该信号的速度仍为光速c。

【针对训练1】 一艘太空飞船静止时的长度为30 m，它以0.6c(c为光速)的速度沿长度方向飞行越过地球，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30 m

B.地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 m

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

【答案】　B

【解析】　由l＝l₀知A错误，B正确；由相对论时空观的基本假设知光信号的速度都等于c，C、D错误。

【针对训练2】 在一个高速旋转的巨大转盘上放置三个完全相同的时钟，a放在转轴处，b放在中间，c放在边缘处，如图所示。对于地面上的观察者，根据相对论认为三个时钟的快慢情况，下列说法正确的是(　　)

A.a钟最快，b、c钟一样慢

B.a钟最慢，b、c钟一样快

C.a钟最快，c钟最慢

D.a钟最慢，c钟最快

【答案】　C

【解析】　根据公式Δt＝，地面上的观察者认为c钟走得最慢，因为它相对观察者的速度最大；b钟比c钟快一些，而a钟最快，因为它的速度最小，选项C正确。

自主探究（二）　牛顿力学的成就与局限性

1.经典力学的成就

(1)经典力学体系是时代的产物，是现代机械、土木建筑、交通运输以至航空航天技术的理论基础。

(2)经典力学的思想方法对艺术、政治、哲学等社会科学领域也有巨大影响。

2.经典力学的局限性及适用范围

(1)经典力学适用于低速运动的物体，相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律。

(2)经典力学适用于宏观世界；量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律。

3.相对论和量子力学没有否定经典力学

(1)当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别。

(2)当另一个重要常量即“普朗克常量”可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别。

(3)相对论和量子力学并没有否定经典力学，经典力学是二者在一定条件下的特殊情形。

【例4】关于牛顿力学、相对论和量子力学，下列说法中正确的是(　　)

A.相对论和牛顿力学是相互对立、互不相容的两种理论

B.在物体高速运动时，物体的运动规律适用相对论理论，在低速运动时，物体的运动适用牛顿运动定律

C.量子力学适用于宏观物体的运动，牛顿力学适用于微观粒子的运动

D.不论是宏观物体，还是微观粒子，牛顿力学和量子力学都是适用的

【答案】　B

【解析】　首先必须知道，牛顿力学解决低速宏观问题，高速问题应由相对论理论解决，微观问题应由量子力学解决。相对论并没有否定牛顿力学，而是认为牛顿力学是相对论理论在一定条件下的特殊情况，故选项A、C、D错误，B正确。

【针对训练3】 牛顿力学不适用于下列哪些运动(　　)

A.火箭的发射

B.宇宙飞船绕地球的运动

C.“勇气号”宇宙探测器的运行

D.微观粒子的波动性

【答案】　D

【解析】　牛顿力学适用于宏观、低速物体的运动，而研究微观粒子的波动性时牛顿力学不再适用，选项D正确，A、B、C错误。

1.(长度收缩效应)一枚静止时长30 m的火箭以0.6c(c为光速)的速度从观察者的身旁掠过，观察者测得火箭的长度为L₁，火箭上的人测得火箭的长度为L₂，则L₁、L₂的数值应是(　　)

A.30 m，30 m              B.30 m，24 m

C.24 m，30 m              D.24 m，24 m

【答案】　C

【解析】 火箭上的人与火箭相对静止，他测得的数值应为

L₂＝30 m，而观察者的测量值为

L₁＝L₂＝30×0.8 m＝24 m，

选项C正确。

2.(时间延缓效应)接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相同的铯原子钟，飞船和地球上的人观测这两只钟的快慢，下列说法正确的有(　　)

A.飞船上的人观测到飞船上的钟较快

B.飞船上的人观测到飞船上的钟较慢

C.地球上的人观测到这两只钟一样快

D.地球上的人观测到地球上的钟较慢

【答案】　A

【解析】　飞船上的人观察钟表时，是以飞船为参考系，看到地球上的钟表在高速运动，观察到地球上的钟慢，即飞船上的钟快，选项A正确，B错误；同理地球上的人是以地球为参考系，观察结果是地球上的钟快，飞船上的钟慢，选项C、D错误。

3.(相对论效应)如图所示，沿平直铁路有间距相等的三座铁塔A、B和C。假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上的观测者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是(　　)

A.同时被照亮             B.A先被照亮

C.C先被照亮             D.无法判断

【答案】　C

【解析】　列车上观察者以列车为参考系，观察到的是由B发出后经A、C反射的光，由于列车在这段时间内靠近C而远离A，所以C的反射光先到达列车上的观察者，即铁塔C先被照亮，选项C正确。

4.(牛顿力学的成就与局限性)2017年10月3日，瑞典皇家科学院将2017年诺贝尔物理学奖授予了三位美国科学家，以表彰他们对LIGO探测装置的决定性贡献和探测到引力波的存在。引力波是爱因斯坦相对论的最后一块缺失的“拼图”，相对论在一定范围内弥补了牛顿力学的局限性。关于牛顿力学，下列说法正确的是(　　)

A.牛顿力学完全适用于宏观低速运动

B.牛顿力学取得了巨大成就，是普遍适用的

C.随着物理学的发展，牛顿力学将逐渐成为过时的理论

D.由于相对论、量子论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值

【答案】　A

【解析】　牛顿力学完全适用于宏观低速运动的物体，故选项A正确；牛顿力学取得了巨大的成就，但它也具有一定的局限性，并不是普遍适用的，故选项B错误；在微观高速情况下，要用量子力学和相对论来解释，但是并不会因为相对论和量子力学的出现，就否定了牛顿力学，牛顿力学在其适用范围内仍然是正确的，故不会过时也不会失去应用价值，故选项C、D错误。