7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性-2024-2025学年高一物理同步讲练（人教版2019必修第二册）

7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性 （1）感受牛顿力学在高速世界与事实的矛盾，知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。知道相对论、量子论有助于人类认识高速、微观领域。 （2）知道爱因斯坦狭义相对论的基本假设，知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。 （3）了解宇宙起源的大爆炸理论，知道科学真理是相对的，未知世界必将在人类不懈的探索中被揭开更多的谜底。 设想人类可以利用飞船以0.2c的速度进行星际航行。若飞船向正前方的某一星球发射一束激光，该星球上的观察者测量到的激光的速度是多少？ 知识点一 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 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＝. (2)Δt与Δτ的关系总有Δt＞Δτ，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l0，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＝l0. (2)l与l0的关系总有l＜l0，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”) 知识点二 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，当物体运动的速度远小于光速c时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别. [例题1] （2024•镇海区模拟）如图所示，位于教室中央的光源发出一个闪光，闪光照到了教室的前壁和后壁。教室的长度为10m。在平行于教室高速运动的太空飞船上的观察者（　　） A．测得照到前壁的光速度小于c B．观测到飞船上的时间进程比教室慢 C．测得教室的长度小于10m D．观察到光同时到达前、后壁 [例题2] （2024春•绵阳期末）以高速列车为例，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t1′、t2′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Δτ＝t2′﹣t1′，地面观察者测得的时间间隔为Δt＝t2﹣t1，则Δτ与Δt的关系是（　　） A．Δτ＞Δt B．Δτ＜Δt C．Δτ＝Δt D．无法确定 [例题3] （2024春•佛山期末）关于牛顿力学与相对论，以下说法正确的是（　　） A．中国东风27超高音速导弹的飞行速度可达到3400m/s，牛顿力学不再适用 B．真空中的光速大小在不同的惯性参考系中都是相同的 C．牛顿力学在微观领域物质结构中不适用，因此带电粒子在电场中的运动不满足牛顿运动定律 D．对于地面上静止不动的物体，在不同参考系中测得该物体的长度都是一样的 [例题4] （2024•海门区校级二模）如图所示，一同学在教室上课，教室的长度为9m，教室中间位置有一光源．有一飞行器从前向后高速通过教室外侧，已知光速为c，飞行器中的飞行员认为（　　） A．教室中的时钟变快 B．教室的长度大于9m C．从光源发出的光先到达教室后壁 D．光源发出的光，向后的速度小于c 1. （2023春•吉州区校级期末）以下说法正确的是（　　） A．开普勒提出日心说，并指出行星绕太阳转动其轨道为椭圆 B．卡文迪许测量出万有引力常量，并提出万有引力定律 C．牛顿证明了地面上苹果受到的重力和地球对月亮的吸引力是同一种力 D．洲际导弹的速度有时可达到6000m/s，此速度在相对论中属于高速，导弹的质量会明显增大 2. （2023春•涪城区校级期末）如图所示，你站在水平木杆AB的中央附近，并且看到木杆落在地面上时是两端同时着地的；若此时飞飞同学正以接近光速的速度从木杆前面掠过，则（　　） A．飞飞同学看到木杆的B端比A端先落地 B．飞飞同学看到木杆的A端比B端先落地 C．飞飞同学看到木杆的两端同时落地 D．飞飞同学看到的木杆长度比你看到的木杆长度更长 3. （2023•南通开学）如图所示，假设一列火车沿水平轨道接近光速匀速行驶，车厢正中央的光源S发出了一个闪光，车上的人甲和车旁边的人乙进行观察，则（　　） A．甲认为闪光先到达车厢的后壁 B．甲认为闪光先到达车厢的前壁 C．乙认为闪光先到达车厢的后壁 D．乙认为闪光先到达车厢的前壁 4. （2023春•闵行区校级期末）下列对经典力学的说法中，正确的是（　　） A．牛顿建立了经典力学的理论体系 B．经典力学适用于微观、高速、强引力场情况 C．用经典力学能解释微观高速粒子的某些现象 D．相对论和量子理论与牛顿经典力学观点完全一致 5. （多选）（2023春•西城区校级期末）μ子是自然界的基本粒子之一，它平均寿命很短容易发生衰变。科学家发现μ子以0.99c甚至更高的速度飞向地球，根据经典理论计算出每秒到达地球的μ子数小于实际观察到的μ子数。这一现象与经典理论产生了矛盾，用相对论时空观可以得到很好的解释，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完成这个动作的时间间隔为Δt，那么两者之间的关系是 已知μ子低速运动时的平均寿命是3.0μs。下列说法正确的是（　　） A．当μ子以0.99c飞行，选择此μ子作为参考系，则μ子的平均寿命大于3.0μs B．当μ子以0.99c飞行，以地面为参考系，则μ子的平均寿命大于3.0μs C．对地面上的观测者来说，μ子平均飞行的距离大约为900m D．对地面上的观测者来说，μ子平均飞行的距离大约为6300m 6. （2022春•杨浦区校级期末）如图所示，地面上A、B两处的中点处有一点光源S，甲观察者站在光源旁，乙观察者乘坐速度为v（接近光速）的火箭沿AB方向飞行，两观察者身边各有一个事先在地面校准了的相同的时钟，下列对相关现象的描述中，正确的是（　　） A．甲测得的光速为c，乙测得的光速为c﹣v B．甲认为飞船中的钟变慢了，乙认为甲身边的钟变快了 C．甲测得的AB间的距离小于乙测得的AB间的距离 D．当光源S发生一次闪光后，甲认为A、B两处同时接收到闪光，乙则认为B先接收到闪光 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！6 学科网（北京）股份有限公司 $$ 7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性 （1）感受牛顿力学在高速世界与事实的矛盾，知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。知道相对论、量子论有助于人类认识高速、微观领域。 （2）知道爱因斯坦狭义相对论的基本假设，知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。 （3）了解宇宙起源的大爆炸理论，知道科学真理是相对的，未知世界必将在人类不懈的探索中被揭开更多的谜底。 设想人类可以利用飞船以0.2c的速度进行星际航行。若飞船向正前方的某一星球发射一束激光，该星球上的观察者测量到的激光的速度是多少？ 知识点一 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 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＝. (2)Δt与Δτ的关系总有Δt＞Δτ，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l0，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＝l0. (2)l与l0的关系总有l＜l0，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”) 知识点二 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，当物体运动的速度远小于光速c时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别. [例题1] （2024•镇海区模拟）如图所示，位于教室中央的光源发出一个闪光，闪光照到了教室的前壁和后壁。教室的长度为10m。在平行于教室高速运动的太空飞船上的观察者（　　） A．测得照到前壁的光速度小于c B．观测到飞船上的时间进程比教室慢 C．测得教室的长度小于10m D．观察到光同时到达前、后壁 【解答】解：AD．根据光速不变原理，不论光源与观察者之间做怎样的相对运动，光速都是一样的等于c，教室相对于飞船向左运动，则光到前壁的路程变短，光先到达前壁，故AD错误； BC．根据爱因斯坦的时间相对论公式Δt，可知飞太空飞船上的观察者认为看到教室中的时钟变慢，即观测到飞船上的时间进程比教室快， 根据长度相对论公式l，l＝l0教室的长度变短小于10m，故B错误，C正确。 故选：C。 [例题2] （2024春•绵阳期末）以高速列车为例，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t1′、t2′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Δτ＝t2′﹣t1′，地面观察者测得的时间间隔为Δt＝t2﹣t1，则Δτ与Δt的关系是（　　） A．Δτ＞Δt B．Δτ＜Δt C．Δτ＝Δt D．无法确定 【解答】解：根据时间的相对性Δt 且 所以Δt＞Δτ 故B正确，ACD错误。 故选：B。 [例题3] （2024春•佛山期末）关于牛顿力学与相对论，以下说法正确的是（　　） A．中国东风27超高音速导弹的飞行速度可达到3400m/s，牛顿力学不再适用 B．真空中的光速大小在不同的惯性参考系中都是相同的 C．牛顿力学在微观领域物质结构中不适用，因此带电粒子在电场中的运动不满足牛顿运动定律 D．对于地面上静止不动的物体，在不同参考系中测得该物体的长度都是一样的 【解答】解：A.牛顿力学适用于低速宏观物体，不适用于微观或高速情况，故A错误； B.相对论指出，真空中光速在所有惯性参考系中恒定，故B正确； C.牛顿力学在微观领域物质结构中不适用，但带电粒子在电场中的运动仍满足牛顿运动定律，故C错误； D.根据相对论的尺缩效应可知：对于地面上静止不动的物体，在不同参考系中测得该物体的长度不一样的，故D错误. 故选：B。 [例题4] （2024•海门区校级二模）如图所示，一同学在教室上课，教室的长度为9m，教室中间位置有一光源．有一飞行器从前向后高速通过教室外侧，已知光速为c，飞行器中的飞行员认为（　　） A．教室中的时钟变快 B．教室的长度大于9m C．从光源发出的光先到达教室后壁 D．光源发出的光，向后的速度小于c 【解答】解：AB、根据爱因斯坦的相对论，可知飞行器中的飞行员认为看到教室中的时钟变慢，教室的长度变短，即长度小于9m，故AB错误； C、教室中的人认为，光向前向后传播的速度相等，光源在教室中央，光同时到达前后两壁，飞行器中的飞行员是一个惯性系，光向前向后传播的速度相等，向后壁传播的路程短些，到达后壁的时刻早些，故C正确； D、根据光速不变理论，无论光源与观察者之间做怎样的相对运动，光速都是一样的，故D错误； 故选：C。 1. （2023春•吉州区校级期末）以下说法正确的是（　　） A．开普勒提出日心说，并指出行星绕太阳转动其轨道为椭圆 B．卡文迪许测量出万有引力常量，并提出万有引力定律 C．牛顿证明了地面上苹果受到的重力和地球对月亮的吸引力是同一种力 D．洲际导弹的速度有时可达到6000m/s，此速度在相对论中属于高速，导弹的质量会明显增大 【解答】解：A、日心说是哥白尼提出的，开普勒是根据实验数据总结出行星三大运动定律，故A错误； B、卡文迪许测量出了万有引力常量，但提出万有引力定律的是牛顿，故B错误； C、牛顿万有引力定律的提出，经历了：提出猜想⟶理论推导⟶实验验证等阶段，其中实验验证，牛顿就证明了地面上苹果受到的重力和地球对月亮的吸引力是同一种力，故C正确； D、在爱因斯坦的狭义相对论中，只有能跟光速相比拟的速度才能称为高速，真空中的光速为c＝3×108m/s，而导弹的速度远小于光速，所以没有明显的相对论效应，故D错误； 故选：C。 2. （2023春•涪城区校级期末）如图所示，你站在水平木杆AB的中央附近，并且看到木杆落在地面上时是两端同时着地的；若此时飞飞同学正以接近光速的速度从木杆前面掠过，则（　　） A．飞飞同学看到木杆的B端比A端先落地 B．飞飞同学看到木杆的A端比B端先落地 C．飞飞同学看到木杆的两端同时落地 D．飞飞同学看到的木杆长度比你看到的木杆长度更长 【解答】解：ABC.当飞飞同学掠过木杆时，在她看来，木杆不仅在下落，而且木杆的B端还在朝她运动，因此，在你看来同时发生的两个事件，在飞飞同学看来首先在B端发生，故飞飞同学看到木杆的B端比A端先落地，故A正确，BC错误； D.根据尺缩效应可知，飞飞同学看到的木杆长度比你看到的木杆长度更短，故D错误。 故选：A。 3. （2023•南通开学）如图所示，假设一列火车沿水平轨道接近光速匀速行驶，车厢正中央的光源S发出了一个闪光，车上的人甲和车旁边的人乙进行观察，则（　　） A．甲认为闪光先到达车厢的后壁 B．甲认为闪光先到达车厢的前壁 C．乙认为闪光先到达车厢的后壁 D．乙认为闪光先到达车厢的前壁 【解答】解：AB.车厢中的人认为，车厢是个惯性系，光向前向后传播的速度相等，光源在车厢中央，闪光同时到达前后两壁；故AB错误； CD.地面上的人以地面为参考系，光向前向后传播的速度相等，向前传播的路程长些，向后传播的路程短，所以乙认为闪光先到达车厢的后壁，故C正确，D错误。 故选：C。 4. （2023春•闵行区校级期末）下列对经典力学的说法中，正确的是（　　） A．牛顿建立了经典力学的理论体系 B．经典力学适用于微观、高速、强引力场情况 C．用经典力学能解释微观高速粒子的某些现象 D．相对论和量子理论与牛顿经典力学观点完全一致 【解答】解：A．牛顿运动定律是经典力学的核心理论，建立了经典力学的理论体系，故A正确； BC．用经典力学不能适用于微观高速粒子的现象，适用于宏观、低速、强引力场情况；故BC错误； D．相对论、量力理论提出了经典力学的局限性，相对论适应领域：高速运动和量子理论适应领域：黑体辐射；观点完全不一致，故D错误。 故选：A。 5. （多选）（2023春•西城区校级期末）μ子是自然界的基本粒子之一，它平均寿命很短容易发生衰变。科学家发现μ子以0.99c甚至更高的速度飞向地球，根据经典理论计算出每秒到达地球的μ子数小于实际观察到的μ子数。这一现象与经典理论产生了矛盾，用相对论时空观可以得到很好的解释，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完成这个动作的时间间隔为Δt，那么两者之间的关系是 已知μ子低速运动时的平均寿命是3.0μs。下列说法正确的是（　　） A．当μ子以0.99c飞行，选择此μ子作为参考系，则μ子的平均寿命大于3.0μs B．当μ子以0.99c飞行，以地面为参考系，则μ子的平均寿命大于3.0μs C．对地面上的观测者来说，μ子平均飞行的距离大约为900m D．对地面上的观测者来说，μ子平均飞行的距离大约为6300m 【解答】解：A、当μ子以0.99c飞行，选择此μ子作为参考系，由狭义相对论可知，则μ子的平均寿命不变，故A错误； B、当μ子以0.99c飞行，以地面为参考系，Δτ＝3.0μs，由狭义相对论，由于，可知μ子的平均寿命大于3.0μs，故B正确； CD、对地面上的观测者来说，由可得 则有s＝0.99×3.0×108×21.28×10﹣6m≈6320m，故C错误，D正确。 故选：BD。 6. （2022春•杨浦区校级期末）如图所示，地面上A、B两处的中点处有一点光源S，甲观察者站在光源旁，乙观察者乘坐速度为v（接近光速）的火箭沿AB方向飞行，两观察者身边各有一个事先在地面校准了的相同的时钟，下列对相关现象的描述中，正确的是（　　） A．甲测得的光速为c，乙测得的光速为c﹣v B．甲认为飞船中的钟变慢了，乙认为甲身边的钟变快了 C．甲测得的AB间的距离小于乙测得的AB间的距离 D．当光源S发生一次闪光后，甲认为A、B两处同时接收到闪光，乙则认为B先接收到闪光 【解答】解：A.根据光速不变原理，可知甲、乙在两种不同的参考系里测出的光速都为c，故A错误； B.根据钟慢效应：运动的钟比静止的钟走得慢，而且，运动速度越快，时间越慢，接近光速时，时间就几乎停止了；甲认为飞船中的钟变慢了，乙认为甲身边的钟变慢了，故B错误； C.根据尺缩效应：在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短，可知甲测得的AB间的距离大于乙测得的AB间的距离，故C错误； D.当光源S发生一次闪光后，甲认为A、B两处同时接收到闪光，对乙而言，则乙认为B先接收到闪光，故D正确。 故选：D。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！6 学科网（北京）股份有限公司 $$