7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性(练案)-【成才之路】2024-2025学年高中新课程物理必修第二册同步学习指导(人教版2019)

练案[15 第七章 5.相对论时空观与生顿力学的局限性 5.以高速列车为例(如图所示),假定车厢安装 基础巩固练 着一个墨水罐,它每隔一定时间滴出一滴墨 1.下列说法中错误的是 __ 水,车上的人测得,墨水在'、1'两个时刻在 A.万有引力可以用狭义相对论做出正确的 地面形成P2两个墨点,也就是说发生了两 解释 个事件,车上的人认为两个事件的时间间隔是 B. 电磁力可以用狭义相对论做出正确的解释 A7='-',地面观察者测得的时间间隔为 C. 狭义相对论是惯性参考系之间的理论 △t=t-t,则△r与A的关系是 _ D.万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架 2.在引力可以忽略的空间有一艘宇审飞船在做 墨水罐一 匀加速直线运动,一束光垂直于运动方向在飞 一 。 船内传播,下列说法中正确的是 ( A.△r>△t ①船外静止的观察者看到这束光是沿直线传 B.△-<At C.△r=A 播的 ②船外静止的观察者看到这束光是沿 D.无法确定 曲线传播的 ③航天员以飞船为参考系看到 6.假设地面上有一列火车以接近光速的速度运 这束光是沿直线传播的 ④航天员以飞船为参 行,其内站立着一个中等身材的人,站在路旁 考系看到这束光是沿曲线传播的 的人观察车里的人,观察的结果是 ) A.①② B.③④ A.这个人身体变高 B.这个人身体变矮 C.②③ D.①④ C.这个人身体变胖 D.这个人身体变痪 3.一枚静止时长度为L的火箭以接近光速的速 度从观察者身边掠过,观察者观测到火箭的长 能力提升练 度 ( ) A.小于L B.大于L 7. 用相对论的观点判断,下列说法错误的是 C.等于L D.大于或等于I _~ 4.下列说法不符合物理学史的是 ) A.时间和空间都是绝对的,在任何参考系中 A.英国物理学家卡文迪什在实验室里通过几 一个事件发生的时间和一个物体的长度总 个铅球之间万有引力的测量,得出了引力 不会改变 常量G的数值 B.在地面上的人看来,以10km/s的速度运动 B.牛顿对引力常量G进行准确测定,并于 的飞船中的时钟会变慢,但是飞船中的宇 1687年发表在其传世之作《自然哲学的数 航员却看到时钟是准确的 学原理》中 C.在地面上的人看来,以10km/s的速度运动 C.20世纪初建立的量子力学理论,使人们认 识到经典力学理论一般不适用于微观粒子 的飞船在运动方向上会变窄,而飞船中的 的运动 宇航员却感觉到地面上的人看起来比飞船 D.开普勒行星运动定律是开普勒在其导师第 中的人扁一些 谷留下的观测记录的基础上整理和研究出 D. 当物体运动的速度vc时,“时间膨胀”和 来的 “长度收缩”效果可忽略不计 一189一 8.将一根长木棒沿着火车行驶的方向平放在车 A.静止的观察者看到梭收缩变短,因此在 厢内。一个站在站台上的人,测量该木棒的长 某个位置,管子能完全遮住梭 度,正确的是 ( ) B.静止的观察者看到梭缥变长,因此在某个 A.火车速度v=0.5c时测得的长度小于火车 位置,梭襟从管子的两端伸出来 速度v=0.2c时测得的长度 C.静止的观察者看到两者的收缩量相等,因 B. 火车速度v=0.5c时测得的长度等于火车 此在某个位置,管子仍恰好遮住梭 速度v=0.2c时测得的长度 D. 相对梭缥静止的观察者看到管子变短,在 C. 火车速度v=0.9c时测得的长度大于火车 某个位置,梭锤从管子的两端伸出来 速度,=0时测得的长度 11.(多选)u.子是自然界的基本粒子之一,它平 D. 火车速度v=0.5c时测得的长度等于火车 均寿命很短容易发生衰变。科学家发现1 速度v=0时测得的长度 9.(多选)1970年成功发射的“东方红一号”是我 子以0.99c甚至更高的速度飞向地球,根据 国第一颗人造地球卫星,该卫星至今仍沿圆 经典理论计算出每秒到达地球的i子数小 轨道绕地球运动。如图所示,设卫星在近地 于实际观察到的1子数。这一现象与经典 点、远地点的速度分别为心、v,近地点到地心 理论产生了矛盾,用相对论时空观可以得到 的距离为r,地球质量为M,引力常量为G。则 很好的解释,这也成为相对论时空观的最早 ( 证据。相对论时空观认为: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 远地点 起运动的物体完成某个动作的时间间隔为 近地点 地球 A7,地面上的人观察到该物体在完成这个动 作的时间间隔为A,那么两者之间的关系是 GM A.v.v,v=。 △= =r 一.已知1子低速运动时的平 1-({) GM B.v.v,> r 均寿命是3.0us。下列说法正确的是 C. 地面上的观察者观察到飞船上的钟在近地 ) 点比在远地点走得更慢 A.当子以0.99c飞行,选择此i子作为参 D.根据相对论,飞船中的观察者发现静止于 考系,则1子的平均寿命大于3.0n 地面的钟走快了 B.当1子以0.99。飞行,以地面为参考系,则 10.(多选)如图所示,假设一根10cm长的梭 n子的平均寿命大于3.0s 以接近光速穿过一根10cm长静止的管子. C.对地面上的观测者来说,1子平均飞行的 它们的长度都是在静止状态下测量的。下列 1__ 距离大约为900m 说法正确的是 D.对地面上的观测者来说,子平均飞行的 -(_ 距离大约为6300m 12.一支静止时30m的火箭以3km/s的速度从 (3)如果火箭的速度为光速的二分之一,观 观察者的身边飞过。 察者测得火箭的长度应为多少 (1)火箭上的人测得火箭的长度应为多少? (4)火箭内完好的手表走过了1min,地面上 (2)观察者测得火箭的长度应为多少 的人认为经过了多少时间? 191的基本规律，故D错误。故选D。 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 类型二 探究点1 典题4：B相对论没有否定牛顿力学，是对牛顿力学的补充，故 基础梳理 A错误：在相对论中，运动的钟比静止的钟慢.故B正确：牛顿 1.电磁波 光速c 力学适用于宏观低速运动的物体，对微观高速运动的粒子不 2.一样 适用.故C,D错误。故选B 3.相同相同 跟踪训练4：B相对论给出了物体在高速运动时所遵循的规 5.收缩效应 律，经典物理学为它在低速运动时的特例，在自己的适用范围 6.运动状态 内还将继续发挥作用，A,C,D错误，B正确。故选B 类型一 课堂效果反馈 典题1：B 根据△= 可知，相对观察者的速度越 1.C牛顿运动定律的适用范围是宏观物体的低速运动，不适用 -( 微观粒子的高速运动。故选C。 2.AC牛顿力学是物理学和天文学的基础，也是现代工程技 大，其上的时间越慢，a放在水平地面上，在地面上的人看来，a 术的理论基础，A正确：牛顿力学的理论体系是经过几代科学 钟没有变化，b,c均变慢，且，大于，b钟比c钟更慢，则地 家长期的探索，历经曲折才建立起来的，B正确：牛顿力学其 而上的观察者认为走得最慢的钟为b,B正确。故选B。 有丰富的理论成果，也建立了验证科学的方法体系，C正确： 跟踪调练1：3（昼夜】 当物体运动速度很大（→）时.牛顿力学理论所得的结果与 解析：据钟慢效应有△山= 即5= ,解得 实验结果之间出现了较大的偏差，D铅误。故选ABC -() 1-0.8 3.B到达此星球需要的时间是△r=△ /1- =8.76× △1'=3（昼夜）。 类型二 10×√0.5可h=6.26×10h.故选B 典题2：100km80km 4.AD一枚静止时长为30m的火箭以0.5的速度飞行，根据 解析：当火黄速度较低时，长度基本不变，还是10k。当火箭的 相对论时空观可知，火箭上的观察者测得火箭的长度为30m, 速度达到06c时，由相对论长度公式1=山，-了 ，代入相应的 选项A正确：根据长度收缩效应知=√-() ,地面上 的观察者测得火箭的长度为L=26m,选项B错误：根据时间 数据解得1=100×√1-06km=80km。 跟踪训练2：C根据相对论的时间延缓效应，当飞船速度接近 延缓效应，运动的钟比静止的钟走得慢，而且运动速度越大， 钟走得越慢，同时运动是相对的，火箭相对于地面上的人是运 光速时，时间会变慢，时间延缓效应对生命过程、化学反应等 动的.地面上的人相对于火箭也是运动的，所以若：=0.5，则 也是成立的。飞船运行的速度越大，时间延缓效应感明显，人 火箭上的观察者认为地面上的时钟走得慢，同时地而上的观 体新陈代谢越缓慢。 察者认为火箭上的时钟走得慢，选项C错误，D正确。故 探究点2 选AD [判斯正误] (1)V(2)V(3)V(4)×(5)V(6)×(7)× 练案[15] 类型一 基础巩固练 典题3：A经典的牛顿力学适用于宏观、低速（远小于光速）运 1.A狭义相对论认为电磁相互作用的传播速度©是自然界中 动的物体，可知经典的牛顿力学不再适用的是：电子以接近光 速度的极限，而星球的运动不能够超过光速影响到远处的另 的速度运动。经典的牛顿力学适用的是：射击场上，从枪膛射 一个星球，所以电磁力可以用狭义相对论做出正确的解释，万 出的子弹：在武汉大学校园观赏樱花的游客：体育课上，被小 有引力理论无法纳人狭义相对论，故选项A错误，B,D正确： 明同学抛出的篮球。故选A。 狭义相对论是惯性参考系之间的理论，故选项C正确。故 跟踪训练3：D经典力学实现了人类对自然界认识的第一次理 选A 论大综合，并提出了一切自然科学理论应有的基本特征，形成2.D在惯性参考系中，光是沿直线传播的，故①正确，②错误： 了由实验到数学推导这种行之有效的研究方法。经典力学的 而在非惯性参考系中，因为有相对加速度，光将沿曲线传播， 建立标志着近代自然科学的诞生，故A、B、正确：经典力学 ④正确，③错误。故选D 适用于宏观，低速运动的物体，而量子力学属于微观高速物体：3.A据相对论的“尺缩效应”可知，观察者观测到火箭的长度 244 小于L。故选A。 11.BD当子以0.99e飞行，选择此4子作为参考系，由狭义 4.B牛顿发现万有引力定律，于1687年发表在其传世之作《自 相对论可知，则4子的平均寿命不变，A错误：当4子以 然哲学的数学原理》中，英国物理学家卡文迪什在实验室里通 0.99e飞行，以地面为参考系，△r=3.05,由狭义相对论 过几个铅球之间万有引力的测量，得出了引力常量G的数值。 △= △r 故A符合物理学史，B不符合物理学史；20世纪的20年代建 由于1-(】 <1,可知4子的平均寿 立了量子力学理论，它使人们认识到经典力学理论一股不适 W-() 用于微观粒子的运动，故C符合物理学史：开誉勒行星运动定 命大于3.0山，B正确：对地面上的观测者来说，由△= 律是开普勒在其导师第谷留下的观测记录的基础上整理和研 △7 可得△= 3.0×106 521.28×105,则 究而来的，故D符合物理学史。故选B W-() √- 5.B根据时间的相对性△1= △r 且1- <1.所 有s=0.99×3.0×10×2L,28×10-6m=6320m,C错误，D -() 正确。故选BD 以△>△r,故选B 12.(1)30m(2)约30m(3)约26m(4)约1min 解析：(1)火箭上的人相对火箭来远是静止的，无论火箭速度 6D由公式1=4√1-() 可知，在运动方向上，人的宽度 是多少，火箭上的人测得火箭长与静止时测得的火箭的长均 要减小，在垂直于运动方向上，人的高度不变。故选D 是1=30m 能力提升练 (2)而火箭外面的观察者看火箭时，有相对速度"，则它的测 7.A按照相对论的观点，时间和空间都是相对的，故A错误： 量催要缩短，即r<4,由r=1,- 由△1= 可知，运动的时钟变慢了，但飞船中的时 W-( 当r=3×10°m/s时 "=30×个-10而m≈30m 钟相对疗航员静止，时钟准确.故B正确：由1=√-（白）可 (3)当=分时，1=26m 知，地面上的人看飞船和飞船上的人看地面上的人都沿运动 (4)火薇上时间△'=1min, 方向长度减小，故C正确：当心c时，时间变化和长度变化效 火音的速度"=3km/s,所以地面上规测到的时可 果可忽略不计，故D正确。故选A △ △= nin≈Imin 8.A根据相对论公式1=√-()可知，火车运动的速度 3×10 3×10 :越大，所测长木棒的长度越小。故选A。 9.BC根据开普勒第二定律可知，从远地点到近地点卫星做加 章末整合 素养提升 速运动，面近地点到远地点，卫星做诚速运动，所以近地点的 高考真题专练 速度大于远地点的即，>：，若卫星绕地心做轨道半径为：的 1.C根据6学=m,可得a-以.因该卫是与月球的轨道半 圆周运动时，线速度大小为、√ GM ,将卫星从半径为r的圆锁 径相同，可知向心加速度相同：因该卫星的质量与月球质量不 道变轨到图示的椭圆轨道，必须在近地点加速，所以有> 同，则向心力大小以及受地球的万有引力大小均不相同。 圆，故B正确，A错误：根据爱因斯坦的狭义相对论，得到2.D设木卫一、木卫二、木卫三的轨道半径分别为4，木 卫三周期为T,公转轨道半径r:=。根据开普勒第三定律可 运动延迟的效应，故地面上的观察者观察到飞船上的钟在近 地点比在远地点走得更慢，C正确：根据爱因斯坦的狭义相对 得)-(=（兮广解得器放4错误：龈据开 论，得到运动延迟的效应，飞船中的观察者发现静止于地面的 钟走慢了，故D错误。故选BC。 普精第三定律可得：（合）=(-（广解得5岩故 10.AD根据狭义相对论的尺缩效应，如果梭縹相对于观察者 B错误：由于开普勒第三定律适用于同一个中心天体，根据题 运动，那么梭镖收缩变短，而管子长度不变，因此在某个位 意无法计算周期T与T。之比，故C错误：对于木卫三，根据万 置，管子能完全遮住梭镖，选项A正确，B、C错误；管子相对 梭镖高速运动，由尺缩效应可知相对梭镖静止的观察者看到 有引力提供向心力，则有 他=m芹解得从 管子变短，在某个位登，梭镖从管子的两端伸出来，选项D正 确。故选AD。 ,对于月球绕地球做匀速圆周运动时，有W。m 4m2n32 245