7.5 相对论时客观和牛顿力学的局限性-2024-2025学年高一物理同步讲义（人教版2019必修二）

7.5相对论时客观和牛顿力学的局限性（解析版） 题型1 牛顿力学的成就与局限性 1 题型2 宇宙起源和演化 2 题型3 经典相对性原理 4 题型4 狭义相对论的两个基本假设 5 题型5 “同时”的相对性 7 题型6 长度的相对性 10 题型7 时间间隔的相对性及其验证 13 题型8 相对论速度变换公式 15 题型9 相对论质量 17 一、相对论时空观与牛顿力学的局限性 1．相对论时空观 (1)爱因斯坦的两个假设：①在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是_相同__的。 ②真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是_相同__的。 (2)爱因斯坦假设的结果 ①时间延缓效应 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长度收缩效应 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．牛顿力学的成就与局限性 顿力学适用于宏观物体，低速运动。 1．对光速不变原理的理解 不管光源与观察者的相对运动如何，在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的光速都是相等的。 2．相对论时空观的“两个效应”的理解 (1)时间延缓效应的理解 日常生活中的时间延缓效应可以忽略，但在运动速度接近光速时，时间延缓效应则变得特别重要。 (2)长度收缩效应的理解 ①在垂直于运动方向不发生长度收缩效应现象。 ②我们平常观察不到长度收缩效应，是因为我们生活在比光速低得多的低速世界里，长度收缩效应极不明显。 一、题型1 牛顿力学的成就与局限性 1．下列物理情景中，经典的牛顿力学不再适用的是（   ） A．“高鸟黄云暮”中的运动 B．“卢水胡”部落中的骑马射箭、挥刀逐鹿 C．“三体”小说中的光速飞船 D．“逐道”训练时，在空中的啦啦操队员 【答案】C 【详解】经典的牛顿力学只适用于宏观低速物体，不适用与微观高速粒子的运动，则不适用于“三体”小说中的光速飞船的运动。 故选C。 2．关于经典时空观和相对论时空观，下列说法正确的是（　　） A．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 B．相对论时空观认为时间和空间与物体及其运动有关系 C．研究接近光速的粒子时经典力学不适用 D．当物体的运动速度远小于光速时，相对论和经典力学的结论仍有很大的区别 【答案】ABC 【详解】AB．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AB正确； C．经典力学只适用于宏观、低速运动问题，不适用于微观、高速运动问题，故C正确； D．当物体的运动速度远小于光速时，相对论和经典力学的结论没有区别，故D错误。 故选ABC。 3．关于经典力学的成就，下列说法正确的是（　　） A．经典力学把天体的运动与地上物体的运动统一起来，是人类对自然界认识的第一次综合，是人类认识史上的一次重大飞跃 B．经典力学第一次向人们展示了时间的相对性 C．火箭、人造地球卫星、航天飞机、宇宙飞船、行星探测器等航天器的发射，都是牛顿力学规律的应用范例 D．经典力学对后来的理论有重要影响 【答案】ACD 【详解】AD．经典力学把天体的运动与地上物体的运动统一起来，是人类认识史上的一次重大飞跃，对后来的理论有重要影响，故AD正确； B．时间的相对性是相对论的观点，故B错误； C．航天器的发射与运行是牛顿力学规律的应用范例，故C正确。 故选ACD。 4．牛顿力学的适用范围为： 、 。（关键词概括） 【答案】 低速运动的宏观物体 引力不太强 【详解】牛顿力学属于经典力学，它只适用于低速、宏观物体的运动以及引力不太强时的情况。 5．牛顿力学的适用范围是 （填“高速”或“低速”）运动的 （填“宏观”或“微观”）物体。 【答案】 低速 宏观 【详解】[1][2]牛顿力学的局限性是只适用低速运动的宏观物体。 二、题型2 宇宙起源和演化 6．关于恒星的说法正确的是（　　） A．极少数恒星有着和太阳相同的化学成分 B．当恒星变为红色的巨星或超巨星时，就意味着这颗恒星刚刚诞生 C．恒星起源于宇宙中的气体、尘埃等物质 D．神秘天体—黑洞一般由小质量恒星演化形成 【答案】C 【详解】A．绝大多数恒星有着和太阳相同的化学成分，故A错误； B．恒星燃料耗尽后其核心不再释放能量，核心开始收缩，而外部开始膨胀，于是恒星就变成了一颗红色的巨星或超巨星，故B错误； C．恒星是宇宙中最基本的天体之一，它们由气体、尘埃等物质聚集而成，通过核反应产生能量并持续辐射出来，故C正确； D．神秘天体—黑洞一般由大质量恒星演化形成，故D错误。 故选C。 7．太阳的寿命估计为100亿年，目前已度过了约50亿年，当太阳耗尽核燃料后，最终将会演化变成（　　） A．主序星 B．白矮星 C．中子星 D．红巨星 【答案】B 【详解】太阳只是宇宙中一颗普通的恒星，寿命可达100亿年，太阳进入暮年后，会把所有的燃料都耗尽，成为一颗白矮星，最终化为另一种天体存在于宇宙中。 故选B。 8．人类对宇宙的探索已经有很长的历史。从2300多年前我国战国时期的思想家尸佼给出了宇宙的定义到广义相对论建立之后，宇宙学真正成为了现代科学意义上的一门学科。1929年，美国天文学家哈勃通过对大量星系的观测发现，银河系外的绝大部分星系都在 （选填：A．靠近  B．远离）我们，据此，科学家提出了 宇宙学，以解释宇宙的起源。 【答案】 B 爆炸 【详解】[1][2]1929年，美国天文学家哈勃通过对大量星系的观测发现，银河系外的绝大部分星系都在远离我们，据此，科学家提出了爆炸宇宙学，以解释宇宙的起源。 9．恒星演化分 、存在期和死亡期，一颗恒星的寿命取决于它的 。 【答案】 诞生期 质量 【详解】[1][2]恒星演化分诞生期、存在期和死亡期，一颗恒星的寿命取决于它的质量。 10．恒星的颜色与 密切有关，最冷的恒星（大约3200°C），在天空中呈现暗红色。表面温度5500°C的太阳发出白光。太空中最热的恒星（表面温度高于10000°C）则会呈现 色。 【答案】 它表面的温度 偏蓝 【详解】[1]恒星表面的颜色与它表面的温度有关。 [2]最热的恒星则会呈现偏蓝色。 三、题型3 经典相对性原理 11．绝对时空观：时间与空间都是 于物体及其运动而存在的，也叫 时空观。 【答案】 独立 牛顿力学 【详解】略 12．下列关于牛顿力学和相对论的说法正确的是（　　） A．牛顿力学只适用于宏观世界中做低速运动的物体 B．相对论的出现，使牛顿力学失去了意义 C．相对论认为时间和空间并不是相互独立的 D．狭义相对论的其中一个基本假设是在不同的惯性参考系中，测得的真空中的光速不相同 【答案】AC 【详解】A．牛顿力学只适用于宏观世界中做低速运动的物体，故A正确； B．相对论的出现，并没有否定经典物理学，经典物理学是相对论在低速运动条件下的特殊情形，故B错误； C．相对论认为时间和空间与物质的运动状态有关，它们之间是相互联系的，不是相互独立的，故C正确； D．狭义相对论的其中一个基本假设是在不同的惯性参考系中，测得的真空中的光速相同，故D错误。 故选AC。 13．通过学习狭义相对论理论，可知下列说法正确的是（　　） A．牛顿力学在任何情况下都适用 B．在所有的惯性参考系中，测得的真空中的光速相同 C．在不同的惯性参考系中，一切物理规律的形式都是不同的 【答案】B 【详解】A．牛顿力学在宏观低速下才适用，A错误； B．根据光速不变原理，在任何惯性参考系中，测得的真空中的光速不变，B正确； C．在惯性参考系中，一切物理规律的形式都是相同的，C错误。 故选B。 14．关于相对论时空观与牛顿力学的局限性，下列说法中正确的是（　　） A．随着物理学的发展，牛顿力学将逐渐成为过时的理论 B．相对论认为真空中的光速在不同的惯性参考系中是不同的 C．牛顿定律不适用于研究中国空间站天和核心舱的高速发射 D．黑洞和量子通信问题不能在牛顿力学的框架下得到很好的解释 【答案】D 【详解】A．在微观、高速运动中，要用量子力学和相对论来解释，但是不会因为量子力学和相对论的出现，就会让牛顿力学逐渐成为过时的理论，故A错误； B．根据狭义相对论的光速不变原理，真空中光速在不同的惯性参考系中是相同的，故B错误； C．牛顿定律属于经典力学的研究范畴，适用于宏观、低速运动的物体，低速和高速的标准是相对于光速，可判定牛顿定律适用于研究中国空间站天和核心舱的高速发射，故C错误； D．黑洞和量子通信问题要用量子力学和相对论来解释，不能在牛顿力学的框架下得到很好的解释，故D正确。 故选D。 15．你现在正在完成60分钟的物理初态考试，假设一艘飞船相对你以0.3c的速度匀速飞过（c为真空中的光速），则飞船上的观察者根据相对论认为你考完这场考试所用时间（   ） A．大于60分钟 B．等于60分钟 C．小于60分钟 D．不能确定 【答案】A 【详解】根据狭义相对论可知，飞船相对此考生以0.3c的速度匀速飞过时，飞船上的观察者认为此考生考完这场考试所用的时间 可知飞船上的观察者认为此考生考完这场考试所用的时间大于60分钟。 故选A。 四、题型4 狭义相对论的两个基本假设 16．若沿空间站运动方向向前发出一束激光，设真空中的光速为c，空间站对地速度为v，则地面上观察者测得的光速为（    ） A． B．c C． D．无法确定 【答案】B 【详解】根据光速不变原理，真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。光在真空中的传播速度都是一个常数，不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。 故选B。 17．2020年诺贝尔物理学奖授予了三位科学家，其中英国科学家罗杰•彭罗斯发现黑洞的形成是广义相对论的有力预测。根据相对论的观点，下列说法正确的是（　　） A．越靠近黑洞，时钟会变得越快 B．光速的测量结果与参考系的运动速度有关 C．同一物体的长度的测量结果与物体相对观测者运动的速度有关 D．若两件事在某观察者看来是同时发生的，则在其他观察者看来也必定是同时发生的 【答案】C 【详解】A．越靠近黑洞，引力越大，时钟会变慢，A错误； B．根据光速不变原理可知，光在真空中的速度以任何参考系都是恒定的，B错误； C．同一物体的长度的测量结果与物体相对观测者运动的速度有关，这就是相对论中的“尺缩效应”，C正确； D．若两件事在某观察者看来是同时发生的，则在其他观察者看来不一定是同时发生的，D错误。 故选C。 18．关于牛顿力学、相对论和量子力学的说法，正确的是（　　） A．牛顿力学仅适用于宏观、低速运动的物体 B．在不同惯性系中物理规律是不同的 C．真空中一艘速度为0.7c的飞船上发出一束光线，则光速为1.7c D．在速度为0.7c的飞船上观察地面上的物体长度为L，则物体的实际长度比L短 【答案】A 【详解】A．牛顿力学仅适用于宏观、低速运动的物体，故A正确； B．在不同惯性系中物理规律是相同的，故B错误； C．根据光速不变原理可知，真空中一艘速度为0.7c的飞船上发出一束光线，则光速为c，故C错误； D．在速度为0.7c的飞船上观察地面上的物体长度为L，根据尺缩效应可知，物体的实际长度比L长，故D错误。 故选A。 19．如图所示，甲站在水平木杆AB的中央O点附近，并且看到木杆落在地面上时是两端同时着地的；若此时乙站在向右运动的火车中以接近光速的速度从木杆前面掠过，则（　　） A．乙看到木杆的B端比A端先落地 B．乙看到木杆的A端比B端先落地 C．乙看到木杆的两端同时落地 D．乙看到的木杆长度比甲看到的木杆长度更长 【答案】A 【详解】ABC．当乙掠过木杆时，在乙看来，木杆不仅在下落，而且木杆的端还在朝乙运动，因此，在甲看来同时发生的两个事件，在乙看来首先在端发生，故乙看到木杆的端比端先落地。故A正确；BC错误； D．根据尺缩效应可知，乙看到的木杆长度比甲看到的木杆长度更短。故D错误。 故选A。 20．在匀速直线运动的火车上，一旅客不慎将公文包遗忘在卫生间里，经1 min旅客从卫生间返回自己的座位时发现公文包不在，立即返回卫生间找到包，设旅客相对火车的速度大小不变，问：他从发觉丢包到找到包所用的时间是多少？ 【答案】1 min 【详解】火车匀速运动，所以可以把火车看作相对静止，座位到卫生间的路程不变，人相对于车的速度不变，因为，所以返回座位和从座位上返回找包所用时间相同，为1min。 五、题型5 “同时”的相对性 21．如图，假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速向右行驶。车厢中央的光源发出了一个闪光。下列说法正确的是（    ） A．地面上的人看到的光速等于原光速加上火车的速度 B．地面上的人看到的光速等于原光速减去火车的速度 C．地面上的人看到前后两道光速同时到达前后壁 D．火车上的人看到前后两道光速同时到达前后壁 【答案】D 【详解】ABC．地面上的观察者认为地面是一个惯性系，闪光向前、后传播的速度相对地面也是相同的，地面上的人看到的光速就是原光速。但闪光飞向两壁的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些，到达前壁的时间也就晚些。故ABC错误； D．因为车厢是个惯性系，光向前、后传播的速度相同，光源又在车厢的中央，火车上的人看到前后两道闪光会同时到达前、后两壁。故D正确。 故选D。 22．如图所示，一列火车相对地面运动，地面上的人测得光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁。按照火车上的人测量，闪光先到火车的 （填“前壁”或“后壁” ）。 【答案】前壁 【详解】地面上的人以地面为参考系，光向前向后传播的速度相等，某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁，向前传播的路程与向后传播的路程相同，由于火车向前运动，所以光源与火车的前壁距离小；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，点光源与火车的前壁的距离小，闪光先到达前壁。 23．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 【答案】B 【详解】根据时间的相对性 Δt= 且 所以 Δt>Δτ 故选B。 24．地面上A、B两个事件同时发生，对于坐在高速运动的火箭中沿两个事件发生地点连线飞行的人来说（如图所示），哪个事件先发生（　　）    A．A事件先发生 B．B事件先发生 C．两个事件同时发生 D．可能是A事件先发生，也可能是B事件先发生 【答案】B 【详解】可以设想，在事件A发生时，A处发出一个闪光，在事件B发生时，B处发出一个闪光，两闪光相遇作为一个事件，发生在线段AB的中点，这在不同的参考系中看都是一样的。这个现象在地面参考系中很容易解释，两个闪光同时发出，两个闪光传播的速度又一样，当然在线段的中点相遇。火箭上的人则有如下推理：地面在向火箭的方向运动，从闪光发生到两闪光相遇，线段中点向火箭的方向运动了一段距离，因此闪光B传播的距离比闪光A长些，既然两个闪光的传播速度相同，一定是闪光B发出得早一些，所以B事件先发生，故A、C、D错误，B正确。 故选B。 25．相对论的创始人是爱因斯坦。根据相对论理论，时间、空间与物体的运动速度 （填“有关”或“无关”），物体的质量随着速度的增加而 （填“增加”、“减少”或“不变”）。 【答案】 有关 增加 【详解】[1]根据相对论理论，时间、空间与物体的运动速度有关； [2]根据相对质量公式 式中是物体静止时的质量，是物体运动时的质量，是物体的速度，是光速，由公式可知物体的质量随着速度的增加而增加。 26．宇航员在地面上将两只钟校准到零时刻（如甲图所示），其中一只留在地面上，另一只跟随宇航员一起乘坐上高速运行的飞船。从零时刻开始计时，宇航员根据随身携带的手表指示，经过了半个小时。宇航员观察飞船内表的分针指示可能是 图，宇航员观察地面上钟的分针指示可能为 图。 【答案】 乙 丙 【详解】[1]从零时刻开始计时，宇航员根据随身携带的手表指示，经过了半个小时，宇航员观察飞船内钟的分针指示可能为乙图。 [2]根据爱因斯坦的相对论中时间间隔的相对性公式得运动的时钟会变慢，所以宇航员观察地面上钟的分针指示可能为小于半个小时，即丙图。 六、题型6 长度的相对性 27．如图，一列火车以速度高速度v相对地面运动，如果地面上的人测得，火车上某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁后壁，下列说法错误的是（    ） A．地面上的人看到的光速为c B．火车上的人看到的光速也为c C．光源在火车的正中间 D．光源在火车的中点的偏向前的位置 【答案】C 【详解】AB．根据光速不变原理可知，地面上的人看到的光速为c，火车上的人看到的光速也为c，故AB正确； CD．地面上的人测得，火车上某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁后壁，说明在地面上人看来，闪光所走的路程是相等的，设光源到后壁的距离为，到前壁的距离为，汽车行驶时间为，以地面为参考系，则有 ， 可得 可知光源在火车的中点的偏向前的位置，故C错误，D正确。 本题选错误的，故选C。 28．车厢内的人测得车厢长为L，则地面上的人测得车厢长为（　　） A．L B． C． 【答案】C 【详解】地面上的人测得车厢长为 故选C。 29．真空中光速为c。如图为一车厢，向右作匀速直线运动，，车厢内中心有一光源，上方有一个接收器，车厢内可视为真空。车厢内的人测得车厢长为，则地面上的人测得车厢长为，则（　　） A． B． C． D．无法判断 【答案】C 【详解】根据尺缩效应，车厢内的人测得车厢长为，则地面上的人测得车厢长为 故选C。 30．假如汽车以接近光速的速度从观察者身边飞驰而过，汽车里的乘客者看到沿公路的电线杆之间的距离 ，而地面上的观察者看到汽车车窗的高度 。（均选填“变大”“变小”或“不变”） 【答案】 变小 不变 【详解】[1][2]当汽车以接近光速从观察者身边飞驰而过，根据相对论尺缩效应可知，火车里的观察者看到电线杆距离变小，同时，地面上的观察着看到车厢长度变短，而车厢高度不变。 31．如图所示，一列车以接近光速的速度从地面上观察者面前水平驶过。与坐在列车内乘客的观测结果相比，地面上静止的观察者观测车内同一站立的乘客（　　） A．体型变瘦 B．体型变胖 C．身高变高 D．身高变矮 【答案】A 【详解】根据相对论尺缩效应可知，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；则与坐在列车内乘客的观测结果相比，地面上静止的观察者观测车内同一站立的乘客体型变瘦，身高不变。 故选A。 七、题型7 时间间隔的相对性及其验证 32．发出闪光时，开始计时，待接收器接收后结束计时，车厢内的人计时为t1，站在地面上的人计时为t2，则（　　） A．t1<t2 B．t1=t2 C．t1>t2 【答案】A 【详解】根据时间延缓效应可知 故选A。 33．惯性系A和惯性系B相向而行，以下说法正确的是（　　） A．惯性系A中的人看惯性系B中的物理过程变快，惯性系B中的人看惯性系A中的物理过程变快 B．惯性系A中的人看惯性系B中的物理过程变慢，惯性系B中的人看惯性系A中的物理过程变慢 C．惯性系A中的人看惯性系B中的物理过程变快，惯性系B中的人看惯性系A中的物理过程变慢 D．惯性系A中的人看惯性系B中的物理过程变慢，惯性系B中的人看惯性系A中的物理过程变快 【答案】B 【详解】时间延缓效应与相对运动的方向无关，静止参考系的时间是固有时间。惯性系A与惯性系B中的人都感觉自己的参考系是静止的，在相对某参考系运动的参考系来看，原参考系中的时间就变长了，运动就变慢了。 故选B。 34．A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上，B、C分别放在以速度和朝同一方向飞行的两个火箭上，且。地面上的观察者认为走得最慢的时钟是（　　） A．A时钟 B．B时钟 C．C时钟 D．无法确定 【答案】B 【详解】根据公式 可知相对于观察者的速度v越大，其上的时间进程越慢，B时钟相对于观察者的速度最大，所以B走的最慢。地面上的钟A的速度v=0，它所记录的两事件的时间间隔最大，即地面上的钟走得最快，故B正确，ACD错误。 故选B。 35．如图所示，空间站相对地面运动，地面上的观察者测得地面上光源发出的光同时到达空间站的前端和后端，则空间站中的人测得光先到达空间站 （选填“前端”或“后端”）；这两束闪光相对空间站的速度 （填“相等”或“不相等”） 【答案】 前端 相等 【详解】[1][2]地面上的人以地面为参考系，光向前向后传播的速度相等，某光源发出的闪光同时到达空间站的前端和后端，向前传播的路程与向后传播的路程相同。由于空间站向前运动，所以点光源的到空间站的前端的距离小。空间站中的人认为，空间站是个惯性系，光向前、向后传播的速度相等，点光源的到空间站的前端的距离小，闪光先到达前端。 36．在高速列车的车厢安装一盏灯，它每隔一定时间亮一次。列车上的人测得，灯在、两个时刻分别亮了一次，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；地面上的人测得这两个事件的时间间隔为。则与的关系是（　　） A． B． C． D．无法确定 【答案】B 【详解】根据时间的相对性可得 所以 故选B。 八、题型8 相对论速度变换公式 37．一粒子以0.05c的速率相对实验室运动，此粒子发射出一个电子，电子相对于粒子的速度为0.8c，电子的速度方向与粒子运动方向相同，则电子相对于实验室的速度为（　　） A．0.402c B．0.505c C．0.627c D．0.817c 【答案】D 【详解】由相对论速度变换公式得 故选D。 38．在以接近光速运动的火车上，设车对地面的速度为v，车上的人以速度沿着火车前进的方向相对火车运动，那么他相对地面的速度u与的关系是（　　） A． B． C． D．以上均不正确 【答案】B 【详解】按照经典时空观则有 实际上，根据相对论速度变换公式可知 所以严格地来说，应当是 而经典时空观 是在 时的一种近似，而只有在的乘积与相比较不能忽略时，才能明显地看出，因此ACD错误，B正确。 故选B。 39．如图所示，在未来某年A乘坐速度为0.7c（c为光速）的宇宙飞船追赶正前方的B，B的飞行速度为0.5c，A向B发出一束光进行联络，则B观测到该光束的传播速度为（　　） A．0.2c B．0.7c C．1.0c D．1.2c 【答案】C 【详解】根据爱因斯坦相对论，在任何参考系中，光速不变，即光速不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。所以B观测到该光束的传播速度为1.0c。 故选C。 40．假设一空间站相对地球静止在太空中，一宇宙飞船甲相对空间站以速度从空间站飞过，宇宙飞船乙相对空间站以速度与宇宙飞船甲反方向飞行。求：（计算结果保留2位有效数字） （1）以宇宙飞船甲为参考系乙的速度为多大？ （2）以宇宙飞船乙为参考系甲的速度为多大？ 【答案】（1）；（2） 【详解】（1）取甲飞行的方向为正，甲相对空间站的速度为，乙相对空间站的速度为，则以甲为参考系乙的速度为 （2）同理以乙为参考系甲的速度大小为 41．长为l的车厢以速度u向前移动，一球从车的前端以相对于车的速度v运动到后端，求地面上的人看到球运动的时间为多少（考虑相对论效应）？ 【答案】 【详解】根据相对论尺缩效应，在地面上的人看到车厢的长度为 地面上的人看到的球的速度满足洛伦兹速度变换 地面上的人看到球运动的时间为 九、题型9 相对论质量 42．根据狭义相对论的两个基本假设，下列推论正确的是（　　） A．运动的时钟变慢 B．运动的时钟变快 C．运动的尺子变长 D．物体的质量随速度的增加而减小 【答案】A 【详解】AB．根据 ，运动的时钟变慢，A正确，B错误； C．根据相对论，运动的尺子变短，C错误； D．根据，物体的质量随速度的增加而增大，D错误。 故选A。 43．当物体以很大速度运动时，它的质量与静止质量m0的关系是，此时它的动能应该是（　　） A． B． C．mc2－m0c2 D．以上说法都不对 【答案】C 【详解】由爱因斯坦的质能方程 在相对论中物体的动能 故选C。 44．关于静止时质量为的物体，当以速度为运动时物体的质量m，以下说法正确的是（　　） A．在任何情况下，物体的质量都不会改变，即与a和v都无关 B．当物体的运动速度时，物体的质量，即物体的质量改变了，故经典力学不适用，是不正确的 C．当物体以较小速度运动时，质量变化十分微弱，经典力学理论仍然适用，只有当物体的运动接近光速时，质量变化才明显，故经典力学适用于低速运动，而不适用于高速运动 D．通常由于物体的运动速度太小，故质量的变化引不起我们的感觉，在分析地球上物体的运动时，不必考虑质量的变化 【答案】CD 【详解】 ABC．根据公式，当物体的运动速度时，物体的质量；但是当物体以较小速度运动时，质量变化十分微弱，经典力学理论仍然适用；只有当物体以接近光速运动时，质量变化才明显，故经典力学适用于低速运动，而不适用于高速运动，故A、B错误，C正确； D．根据公式，通常物体的运动速度太小，故质量的变化引不起我们的感觉，在分析地球上物体的运动时，不必考虑质量的变化，故D正确。 故选CD。 45．（1）在高速运动问题中，物体的质量还是恒定不变的吗？( ) （2）相对论中，物体的质量与速度的关系式：m= 。 【答案】 见解析 【详解】（1）[1]在高速运动问题中，物体的质量不是恒定不变，随速度的增大而变大。 （2）[2]相对论中，物体的质量与速度的关系式 46．在20世纪初，著名物理学家爱因斯坦提出了 ，改变了经典力学的一些结论。在经典力学中，物体的质量是 的，而相对论指出质量随着 的变化而变化。 【答案】 相对论 不变 速度 【详解】[1][2][3]在20世纪初，著名物理学家爱因斯坦提出了相对论，改变了经典力学的一些结论。在经典力学中，物体的质量是不变的，而相对论指出质量随着速度的变化而变化。 1 1 学科网（北京）股份有限公司 $$ 7.5相对论时客观和牛顿力学的局限性（原卷版） 题型1 牛顿力学的成就与局限性 1 题型2 宇宙起源和演化 2 题型3 经典相对性原理 4 题型4 狭义相对论的两个基本假设 5 题型5 “同时”的相对性 7 题型6 长度的相对性 10 题型7 时间间隔的相对性及其验证 13 题型8 相对论速度变换公式 15 题型9 相对论质量 17 一、相对论时空观与牛顿力学的局限性 1．相对论时空观 (1)爱因斯坦的两个假设：①在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是_相同__的。 ②真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是_相同__的。 (2)爱因斯坦假设的结果 ①时间延缓效应 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长度收缩效应 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．牛顿力学的成就与局限性 顿力学适用于宏观物体，低速运动。 1．对光速不变原理的理解 不管光源与观察者的相对运动如何，在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的光速都是相等的。 2．相对论时空观的“两个效应”的理解 (1)时间延缓效应的理解 日常生活中的时间延缓效应可以忽略，但在运动速度接近光速时，时间延缓效应则变得特别重要。 (2)长度收缩效应的理解 ①在垂直于运动方向不发生长度收缩效应现象。 ②我们平常观察不到长度收缩效应，是因为我们生活在比光速低得多的低速世界里，长度收缩效应极不明显。 一、题型1 牛顿力学的成就与局限性 1．下列物理情景中，经典的牛顿力学不再适用的是（   ） A．“高鸟黄云暮”中的运动 B．“卢水胡”部落中的骑马射箭、挥刀逐鹿 C．“三体”小说中的光速飞船 D．“逐道”训练时，在空中的啦啦操队员 2．关于经典时空观和相对论时空观，下列说法正确的是（　　） A．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 B．相对论时空观认为时间和空间与物体及其运动有关系 C．研究接近光速的粒子时经典力学不适用 D．当物体的运动速度远小于光速时，相对论和经典力学的结论仍有很大的区别 3．关于经典力学的成就，下列说法正确的是（　　） A．经典力学把天体的运动与地上物体的运动统一起来，是人类对自然界认识的第一次综合，是人类认识史上的一次重大飞跃 B．经典力学第一次向人们展示了时间的相对性 C．火箭、人造地球卫星、航天飞机、宇宙飞船、行星探测器等航天器的发射，都是牛顿力学规律的应用范例 D．经典力学对后来的理论有重要影响 4．牛顿力学的适用范围为： 、 。（关键词概括） 5．牛顿力学的适用范围是 （填“高速”或“低速”）运动的 （填“宏观”或“微观”）物体。 二、题型2 宇宙起源和演化 6．关于恒星的说法正确的是（　　） A．极少数恒星有着和太阳相同的化学成分 B．当恒星变为红色的巨星或超巨星时，就意味着这颗恒星刚刚诞生 C．恒星起源于宇宙中的气体、尘埃等物质 D．神秘天体—黑洞一般由小质量恒星演化形成 7．太阳的寿命估计为100亿年，目前已度过了约50亿年，当太阳耗尽核燃料后，最终将会演化变成（　　） A．主序星 B．白矮星 C．中子星 D．红巨星 8．人类对宇宙的探索已经有很长的历史。从2300多年前我国战国时期的思想家尸佼给出了宇宙的定义到广义相对论建立之后，宇宙学真正成为了现代科学意义上的一门学科。1929年，美国天文学家哈勃通过对大量星系的观测发现，银河系外的绝大部分星系都在 （选填：A．靠近  B．远离）我们，据此，科学家提出了 宇宙学，以解释宇宙的起源。 9．恒星演化分 、存在期和死亡期，一颗恒星的寿命取决于它的 。 10．恒星的颜色与 密切有关，最冷的恒星（大约3200°C），在天空中呈现暗红色。表面温度5500°C的太阳发出白光。太空中最热的恒星（表面温度高于10000°C）则会呈现 色。 三、题型3 经典相对性原理 11．绝对时空观：时间与空间都是 于物体及其运动而存在的，也叫 时空观。 12．下列关于牛顿力学和相对论的说法正确的是（　　） A．牛顿力学只适用于宏观世界中做低速运动的物体 B．相对论的出现，使牛顿力学失去了意义 C．相对论认为时间和空间并不是相互独立的 D．狭义相对论的其中一个基本假设是在不同的惯性参考系中，测得的真空中的光速不相同 13．通过学习狭义相对论理论，可知下列说法正确的是（　　） A．牛顿力学在任何情况下都适用 B．在所有的惯性参考系中，测得的真空中的光速相同 C．在不同的惯性参考系中，一切物理规律的形式都是不同的 14．关于相对论时空观与牛顿力学的局限性，下列说法中正确的是（　　） A．随着物理学的发展，牛顿力学将逐渐成为过时的理论 B．相对论认为真空中的光速在不同的惯性参考系中是不同的 C．牛顿定律不适用于研究中国空间站天和核心舱的高速发射 D．黑洞和量子通信问题不能在牛顿力学的框架下得到很好的解释 15．你现在正在完成60分钟的物理初态考试，假设一艘飞船相对你以0.3c的速度匀速飞过（c为真空中的光速），则飞船上的观察者根据相对论认为你考完这场考试所用时间（   ） A．大于60分钟 B．等于60分钟 C．小于60分钟 D．不能确定 四、题型4 狭义相对论的两个基本假设 16．若沿空间站运动方向向前发出一束激光，设真空中的光速为c，空间站对地速度为v，则地面上观察者测得的光速为（    ） A． B．c C． D．无法确定 17．2020年诺贝尔物理学奖授予了三位科学家，其中英国科学家罗杰•彭罗斯发现黑洞的形成是广义相对论的有力预测。根据相对论的观点，下列说法正确的是（　　） A．越靠近黑洞，时钟会变得越快 B．光速的测量结果与参考系的运动速度有关 C．同一物体的长度的测量结果与物体相对观测者运动的速度有关 D．若两件事在某观察者看来是同时发生的，则在其他观察者看来也必定是同时发生的 18．关于牛顿力学、相对论和量子力学的说法，正确的是（　　） A．牛顿力学仅适用于宏观、低速运动的物体 B．在不同惯性系中物理规律是不同的 C．真空中一艘速度为0.7c的飞船上发出一束光线，则光速为1.7c D．在速度为0.7c的飞船上观察地面上的物体长度为L，则物体的实际长度比L短 19．如图所示，甲站在水平木杆AB的中央O点附近，并且看到木杆落在地面上时是两端同时着地的；若此时乙站在向右运动的火车中以接近光速的速度从木杆前面掠过，则（　　） A．乙看到木杆的B端比A端先落地 B．乙看到木杆的A端比B端先落地 C．乙看到木杆的两端同时落地 D．乙看到的木杆长度比甲看到的木杆长度更长 20．在匀速直线运动的火车上，一旅客不慎将公文包遗忘在卫生间里，经1 min旅客从卫生间返回自己的座位时发现公文包不在，立即返回卫生间找到包，设旅客相对火车的速度大小不变，问：他从发觉丢包到找到包所用的时间是多少？ 五、题型5 “同时”的相对性 21．如图，假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速向右行驶。车厢中央的光源发出了一个闪光。下列说法正确的是（    ） A．地面上的人看到的光速等于原光速加上火车的速度 B．地面上的人看到的光速等于原光速减去火车的速度 C．地面上的人看到前后两道光速同时到达前后壁 D．火车上的人看到前后两道光速同时到达前后壁 22．如图所示，一列火车相对地面运动，地面上的人测得光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁。按照火车上的人测量，闪光先到火车的 （填“前壁”或“后壁” ）。 23．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 24．地面上A、B两个事件同时发生，对于坐在高速运动的火箭中沿两个事件发生地点连线飞行的人来说（如图所示），哪个事件先发生（　　）    A．A事件先发生 B．B事件先发生 C．两个事件同时发生 D．可能是A事件先发生，也可能是B事件先发生 25．相对论的创始人是爱因斯坦。根据相对论理论，时间、空间与物体的运动速度 （填“有关”或“无关”），物体的质量随着速度的增加而 （填“增加”、“减少”或“不变”）。 26．宇航员在地面上将两只钟校准到零时刻（如甲图所示），其中一只留在地面上，另一只跟随宇航员一起乘坐上高速运行的飞船。从零时刻开始计时，宇航员根据随身携带的手表指示，经过了半个小时。宇航员观察飞船内表的分针指示可能是 图，宇航员观察地面上钟的分针指示可能为 图。 六、题型6 长度的相对性 27．如图，一列火车以速度高速度v相对地面运动，如果地面上的人测得，火车上某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁后壁，下列说法错误的是（    ） A．地面上的人看到的光速为c B．火车上的人看到的光速也为c C．光源在火车的正中间 D．光源在火车的中点的偏向前的位置 28．车厢内的人测得车厢长为L，则地面上的人测得车厢长为（　　） A．L B． C． 29．真空中光速为c。如图为一车厢，向右作匀速直线运动，，车厢内中心有一光源，上方有一个接收器，车厢内可视为真空。车厢内的人测得车厢长为，则地面上的人测得车厢长为，则（　　） A． B． C． D．无法判断 30．假如汽车以接近光速的速度从观察者身边飞驰而过，汽车里的乘客者看到沿公路的电线杆之间的距离 ，而地面上的观察者看到汽车车窗的高度 。（均选填“变大”“变小”或“不变”） 31．如图所示，一列车以接近光速的速度从地面上观察者面前水平驶过。与坐在列车内乘客的观测结果相比，地面上静止的观察者观测车内同一站立的乘客（　　） A．体型变瘦 B．体型变胖 C．身高变高 D．身高变矮 七、题型7 时间间隔的相对性及其验证 32．发出闪光时，开始计时，待接收器接收后结束计时，车厢内的人计时为t1，站在地面上的人计时为t2，则（　　） A．t1<t2 B．t1=t2 C．t1>t2 33．惯性系A和惯性系B相向而行，以下说法正确的是（　　） A．惯性系A中的人看惯性系B中的物理过程变快，惯性系B中的人看惯性系A中的物理过程变快 B．惯性系A中的人看惯性系B中的物理过程变慢，惯性系B中的人看惯性系A中的物理过程变慢 C．惯性系A中的人看惯性系B中的物理过程变快，惯性系B中的人看惯性系A中的物理过程变慢 D．惯性系A中的人看惯性系B中的物理过程变慢，惯性系B中的人看惯性系A中的物理过程变快 34．A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上，B、C分别放在以速度和朝同一方向飞行的两个火箭上，且。地面上的观察者认为走得最慢的时钟是（　　） A．A时钟 B．B时钟 C．C时钟 D．无法确定 35．如图所示，空间站相对地面运动，地面上的观察者测得地面上光源发出的光同时到达空间站的前端和后端，则空间站中的人测得光先到达空间站 （选填“前端”或“后端”）；这两束闪光相对空间站的速度 （填“相等”或“不相等”） 36．在高速列车的车厢安装一盏灯，它每隔一定时间亮一次。列车上的人测得，灯在、两个时刻分别亮了一次，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；地面上的人测得这两个事件的时间间隔为。则与的关系是（　　） A． B． C． D．无法确定 八、题型8 相对论速度变换公式 37．一粒子以0.05c的速率相对实验室运动，此粒子发射出一个电子，电子相对于粒子的速度为0.8c，电子的速度方向与粒子运动方向相同，则电子相对于实验室的速度为（　　） A．0.402c B．0.505c C．0.627c D．0.817c 38．在以接近光速运动的火车上，设车对地面的速度为v，车上的人以速度沿着火车前进的方向相对火车运动，那么他相对地面的速度u与的关系是（　　） A． B． C． D．以上均不正确 39．如图所示，在未来某年A乘坐速度为0.7c（c为光速）的宇宙飞船追赶正前方的B，B的飞行速度为0.5c，A向B发出一束光进行联络，则B观测到该光束的传播速度为（　　） A．0.2c B．0.7c C．1.0c D．1.2c 40．假设一空间站相对地球静止在太空中，一宇宙飞船甲相对空间站以速度从空间站飞过，宇宙飞船乙相对空间站以速度与宇宙飞船甲反方向飞行。求：（计算结果保留2位有效数字） （1）以宇宙飞船甲为参考系乙的速度为多大？ （2）以宇宙飞船乙为参考系甲的速度为多大？ 41．长为l的车厢以速度u向前移动，一球从车的前端以相对于车的速度v运动到后端，求地面上的人看到球运动的时间为多少（考虑相对论效应）？ 九、题型9 相对论质量 42．根据狭义相对论的两个基本假设，下列推论正确的是（　　） A．运动的时钟变慢 B．运动的时钟变快 C．运动的尺子变长 D．物体的质量随速度的增加而减小 43．当物体以很大速度运动时，它的质量与静止质量m0的关系是，此时它的动能应该是（　　） A． B． C．mc2－m0c2 D．以上说法都不对 44．关于静止时质量为的物体，当以速度为运动时物体的质量m，以下说法正确的是（　　） A．在任何情况下，物体的质量都不会改变，即与a和v都无关 B．当物体的运动速度时，物体的质量，即物体的质量改变了，故经典力学不适用，是不正确的 C．当物体以较小速度运动时，质量变化十分微弱，经典力学理论仍然适用，只有当物体的运动接近光速时，质量变化才明显，故经典力学适用于低速运动，而不适用于高速运动 D．通常由于物体的运动速度太小，故质量的变化引不起我们的感觉，在分析地球上物体的运动时，不必考虑质量的变化 45．（1）在高速运动问题中，物体的质量还是恒定不变的吗？( ) （2）相对论中，物体的质量与速度的关系式：m= 。 46．在20世纪初，著名物理学家爱因斯坦提出了 ，改变了经典力学的一些结论。在经典力学中，物体的质量是 的，而相对论指出质量随着 的变化而变化。 1 1 学科网（北京）股份有限公司 $$