2026年高中物理高一寒假复习与预习 第二十二天：相对论时空观与牛顿力学的局限性（解析版）

第二十二天：相对论时空观与牛顿力学的局限性

相对论时空观与牛顿力学的局限性的内容的考点:

I、经典力学的局限性；

2、经典相对性原理；

3、狭义相对论的两个基本假设:

4、“同时”的相对性；

5、长度的相对性;

6、时间间隔的相对性及其验证;

7、相对论速度变换公式；

8、相对论质量。

知识点1:相对论时空观与牛顿力学的局限性

一、牛顿力学时空观

绝对时空观（牛顿力学时空观）：时间和空间都是独立于物体及其运动而存在的。

该观点认为时间和空间是相互独立的。

不同参考性系之间的速度变换关系满足伽利略变换，比如河中的水以相对于岸的速度v姆流动，河中

的船以相对于水的速度V船水顺流而下，则船相对于岸的速度为;，船用=v阳水+v水岸。

二、相对论时空观

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Co

1887年迈克耳孙一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。

爱因斯坦两个假设：

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。

相对论的两个效应：

时间延缓效应：如果相对于地面以。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Ar,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2,那么两者之间

AT

的关系是加=

2与Ar的关系总有Ar>An即物理过程的快慢（时间进程）与运动状态有关。

长度收缩效应：如果与杆用对静止的人测得杆长是凡沿着杆的方向，以。相对杆运动的人测得杆

长是/,那么两者之间的关系是l=W1一（52。

/与4）的关系总有IVIo,即运动物体的长度（空间距离）跟物体的运动状态有关。

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低速运动：通常所见物体的运动，如投出的篮球、行驶的汽车、发射的导弹等物体皆为低速运动物体。

高速运动：物体的速度可以与光速相接近（比如有些微观粒子在一定条件下的速度），这样的速度称

为高速。

对于低速运动的物体，相对论效应可以忽略不计，•般用经典力学规律来处理；对于高速运动问题，

经典力学规律不再适用，需要用相对论知识来处理。

相对论的两个效应可以总结如下：

运动时钟会变慢，即加=:

运动长度会收缩，即/=/o\/l一（为2,注意：相对于地面以速度U运动的物体，从地面上看沿着运动方

向上的长度变短了，速度越大，变短得越多，而在垂直于运动方向不发生长度收缩效应现象。

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H支侬点、精柏

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“同时”的相对性

经典的时空观：在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察也是相同的。

相对论的时空观：“同时”具有相对性，即在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一

个惯性系中观察不一定同时。

“长度”的相对性

经典的时空观：一列火车的长度不会因为观察者是否与火车做相对运动而不同。

相对论的时空观：“长度”也具有相对性，一列沿自身长度方向运动的火车，其长度总比静止时的长

度小。

三、牛顿力学的成就与局限性

成就：从地面上物体的运动到天体的运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从自行车到汽车、

火车、飞机等现代交通工具的运动，这些运动都服从牛顿力学的规律。牛顿力学在如此广阔的领域里与实

际相符合，显示了牛顿运动定律的正确性和牛顿力学的魅力。

局限性：牛顿力学只适用于宏观U界低速运动的物体，不能描述微观旧界粒子的运动规律。

当物体的速度接近光速时，需要利用相对论来阐述其运动的规律。

微观粒子的运动规律不能用牛顿力学来描述，需要利用量子力学规律来进行描述。

当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别。

当另一个重要常数即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。

相对论和量子力学并没有否定牛顿力学，牛顿力学是二者在•定条件下的特殊情形

考点1:经典力学的局限性

1.（2022下•上海虹口•高一上海市复兴高级中学校考期末）关干经典力学的局限性与相对论，下列说法正

确的是（）

A.由于经典力学有局限性，所以一般力学问题都用相对论力学来解决

B.狭义相对论认为物理规律在所有的参照系中具有相同的形式

C.如果火箭的速度达到200km/s,有关速度问题不能用经典力学来处理

D.引力波的直接探测，给广义相对论的实验验证画上了圆满的句号

【答案】D

【详解】A.经典力学适用于宏观、低速物体，因此一般力学问题可以用经典力学来解决，A错误；

B.狭义相对论认为物理规律在所有的惯性参照系中具有相同的形式，B错误；

C.光速为3xl08m/s,火箭的速度达到200km/s,3xl05m/s相对于光速，仍然属于低速，所以火箭的速度达

到200km/s,有关速度问题仍然能用经典力学来处理，C错误；

D.引力波是爱因斯垣广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”，引力波的直接探测，给广义相对论

的实验验证画上了圆满的句号，D正确。

故选Do

考点2：经典相对性原理

2.（2023下•安徽淮北•高一滩溪县临涣中学校考阶段练习）下列关于物理相关的常识说法正确的是（）

A.伽利略通过理想斜面实验得出了“力是维持物体运动状态H勺原因”的结论

B.米、摩尔和千克都是国际单位制中的基本单位

C.牛顿提出了万有引力定律，并通过扭秤实验测量出了引力常量G

D.爱因斯坦的相对论否定了々顿力学理论，成功地解决了宏观物体的高速运动问题

【答案】B

【详解】A.伽利略通过理想斜面实验得出力不是维持物体运动状态的原因，故A错误；

B.米、摩尔和千克都是国际单位制中的基本单位，故B正确；

C.牛顿提出了万有引力定律，卡文迪许通过实验测出了引力常量，故C错误；

D.爱因斯坦的相对论并没有否定牛顿力学理论，牛顿的经典力学是爱因斯坦相对论理论在低速条件下的近

似，经典力学的适用于宏观、低速运动的物体，相对论适用于微观物体的高速运动问题，故D错误。

故选Bo

考点3：狭义相对论的两个基本假设

3.（2023下•广东东莞•高一统考期末）爱因斯坦于1905年在德国《物理年鉴》发表了论文《论动体的电动

力学》，论文首次提出狭义相对论。假设一艘太空飞船静止时的长度为30m,它以0.6c（c为光速）的速度

沿长度方向飞行越过地球，根据狭义相对论，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30m

B.地球上的观测者测得该飞船的长度小于30m

C.飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于。

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

【详解】A.飞船上的观测者相对该飞船静止，飞船上的观测者测得该飞船的长度等于30m,故A错误；

B.该飞船相对地球上的观测者是运动的，地球上的观测者测得该飞船的长度小于30m,故B正确；

C.根据光速不变原理，飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度等于c,故C错误；

D.根据光速不变原理，地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c,故D错误。

故选Bo

考点4：“同时”的相对性

4.（2023下•高一单元测试）以高速列车为例（如图所示），假定车厢安装着一个墨水罐，它每隔一定时

间滴出一滴墨水，车上的人测得，墨水在〃'、两个时刻在地面形成P、Q两个墨点，也就是说发生了两个

事件，车上的人认为两个事件的时间间隔是△仁厅-〃'，地面观察者测得的时间间隔为AUb。，则△。与小的

关系是（）

PQ

A.Ar>Ar

B.Ar<Ar

C.Ar=A/

D.无法确定

【答案】B

【详解】根据时间的相对性

且

所以

△r>Ar

故选B©

考点5：长度的相对性

5.（2023下•高一单元测试）假设地面上有一列火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的

人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是（）

A.这个人身体变高

B.这个人身体变矮

C.这个人身体变胖

D.这个人身体变瘦

【答案】D

【详解】由公式1=/。］可知,在运动方向上，人的宽度要减小，在垂直于运动方向上，人的高度不

变。

故选

考点6：时间间隔的相对性及其验证

6.（2022下•高一课时练习）如图所示，〃、氏。为三个完全相同的时钟，〃放在水平地面上，氏c分别放

在以速度Vb、W向同一方向飞行的两枚火箭上，且以〈匕，则地面的观察者认为走得最慢的钟为（）

D.无法确定

【答案】C

【详解】根据公式

可知，相劝于观察者的速度V越大，其上的时间进程越慢，。放在地面上，在地面上的人看来，4钟没有变

化。

b、c•两钟放在两个火箭上，根据爱因斯坦相对论可知，氏c•变慢，由于如〈玲，c钟比力钟更慢，所以。钟

最快，C钟最慢。

故选Co

考点7：相对论速度变换公式

7.（2017・高二单元测试）设想有一艘飞船以u=0.8c,的速度在地球上空飞行，如果这时从飞船上沿其运动

方向抛出一物体，该物体相对于飞船的速度为0.9。，从地面上的人看来，物体的速度为（

A.1.7cB.0.1c

C.0.99cD.无法确定

【答案】C

【详解】若对于低速物体，地面上人看来物体相对于地面的速度应为

0.8c+0.9c=1.7c

由狭义相对论理论可以知道，洛伦兹变换下的相对速度

将题中数值代入公式，可以得到所求解0.99c。

故选Co

【名师点睛】根据洛伦兹变换下的相对速度公式进行分析、明确物体的速度.

考点8：相对论质量

8.（2023下•高一单元测试）有关物体的质量与速度的关系的说法，正确的是（）

A.物体的质量与物体的运动速度无关

B.物体的质量随物体的运动速度增大而增大

C.物体的质量随物体的运动速度增大而减小

D.当物体的运动速度接近光速时，质量趋于零

【答案】B

【详解】ABC.由相对论质量公式

可知物体的质量随速度的增大而增大，故B正确，AC错误;

D.当物体的运动速度接近光速时，质量趋于无限大，故D错误。

故选Bo

嫡■H为

多选题

9.（2023下•高一课时练习）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.牛顿力学理论具有一定的局限性

C.在牛顿力学中，物体的质量不随运动状态改变而改变

D.相对论和量子力学否定了牛顿力学理论

【答案】BC

【详解】AB.牛顿力学理论具有一定的局限性，它只适用于低速、宏观物体的运动，故A错误，B正确；

C.在牛顿力学中，物体的质量不随运动状态的改变而改变，即物体的质量和物体运动的速度无关，故C正

确：

D.相对论和量子力学并没有否定过去的科学，而是认为牛顿力学理论是在一定条件下的特殊情形，故D错

误。

故选BCo

10.（2017下•湖南•高一湖南师大附中校考期中）下列说法正确的是（）

A.经典力学中物体的质量是不变的

B.经典力学中的时间和空间是独立于物体及其运动的

C.万有引力定律适用于强作用力

D.物体的速度可以是任意值

【答案】AB

【详解】A.经典力学中物体的质量是不变的，而相对论认为物体的质量随速度发生变化.故A正确；

B.经典时空观认为时间和空间是独立于物体及其运动而存在的，而相对论时空观认为时间和空间与物体及

其运动有关系，故B正确；

C.万有引力定律属于弱引力作用，不适用于强作用力，故C错误；

D.根据相对论力学，物体的能量是不连续的，所以速度也是不连续的，故D错误；

故选AB.

点睛：本题考查的是经典力学的适用范围：宏观低速物体；什么是经典力学，经典力学的基本假设即成立

的基础：其一是假定时间和空间是绝对的，长度和时间间隔的测量与观测者的运动无关，物质间相互作用

的传递是瞬时到达的；其二是一切可观测的物理量在原则上可以无限精确地加以测定.

11.（2023下•高一课时练习）分别站在地面和匀速向前行驶的车厢中点的甲、乙两人，都看到了在车厢前、

后壁发生的事件，下列说法正确的是（）

A.若乙观察两事件是同时的，则甲观察到前壁事件发生得早

B.若乙观察两事件是同时的.则甲观察到后壁事件发生得早

C.若甲观察两事件是同时的，则乙观察到前壁事件发生得早

D.若甲观察两事•件是同时的，则乙观察到后壁事件发生得早

【答案】AD

【详解】AB.乙观察两事件是同时的，即光从前后壁到乙的时间相等，但对甲而言，光从前壁到甲的传播

距离变小，用时少，因而认为前壁事件发生得早，故A正确，B错误；

CD.同理甲认为同时，乙一定认为前壁事件发生得晚，故C错误，D正确。

故选AD,

12.（2014•高二课时练习）A、8两架飞机沿地面上一足球场的长轴方向在其上空高速飞过，且以＞汕，

对于在飞机上的人观察结果，下列说法正确的是（）

A.4飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的大

B.4飞机上的人观察到足球场的长度比3飞机上的人观察到的小

C.两飞机上的人观察到足球力的长度相同

D.两飞机上的人观察到足球场的宽度相同

E.A飞机上的人观察B飞机的长度和时间进程均有微小变化

【答案】BDE

【分析】根据长度的相对性/=（与，分别讨论足球场的长度与宽度的变化即可.

【详解】由卜（其中是相对■足球场静止时的长度），可以看出，速度越大，"动尺变短"的效应

越明显，即A飞机上的人观察到足球场的长度比8飞机上的人观察到的小，A错误B正确；但是足球场的

短轴与飞机速度方向垂直，所以两飞机上的人观察到足球场的宽度相同，C错误D正确；因4"两飞机有

相对运动，所以A飞机上的人观察8飞机的长度和时间进程均有微小变化，E正确.

【点睛】记住并理解狭义相对论的基本假设和几个基本结论，记住公式/=%J1-（卜2是解决此题的关键.

13.（2023下•高一单元测试）A、B两架飞机沿地面上一足球场的长轴方向在其上空高速飞过，且以，

对于在飞机上的人观察的结果，下列说法正确的是（）

A.A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的大

B.A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的小

C.两匕机上的人观察到足球场的长度相同

D.两飞机上的人观察到足球场的宽度相同

【答案】BD

【详解】ABC.由

（其中人是足球场长轴的长度），可以看出，速度越大，长度越短，故B正确，AC错误；

D.足球场的短轴与飞机速度方向垂直，所以两飞机上的人观察到足球场的宽度