第八章 牛顿力学的局限性与相对论初步-2024-2025学年高一物理单元复习讲义（沪科版2020必修二）

第八章 牛顿力学的局限性与相对论初步 第八章 牛顿力学的局限性与相对论初步 课程标准 2.3.1 知道牛顿力学的局限性，体会人类对自然界的探索是不断深入的。 2.3.2 初步了解相对论时空观。 2.3.3 关注宇宙起源和演化的研究进展。 第一节 牛顿力学的局限性 课时聚焦 牛顿力学的局限性 1．任何粒子的速度都___________（可能/不可能）超过光速，牛顿力学在______运动情况下不再适用。 2．牛顿力学在__________情景下不再适用，只有量子力学才能正确描述原子、质子及电子等微观粒子的性质和状态。 3．牛顿力学在___________情况下不再适用。牛顿力学在描述行星等弱引力场天体运动方面取得了很大成功，不仅预言了海王星的存在和哈雷彗星的回归，并且将地球上物体的运动规律和天体的运动规律统一起来。但无法正确描述中子星、黑洞等强引力场天体的运动，也不能用于描述宇宙的_________规律。 【例 1】 关于牛顿力学的适用范围和局限性，下列说法正确的是（ ） A．牛顿力学过时了，应该被相对论和量子力学所取代 B．由于超音速飞机的速度太大，其运动不能用牛顿力学来解释 C．人造卫星的运动不适合用牛顿力学来描述 D．当物体速度接近光速时，其运动规律不适合用牛顿力学来描述 第二节 相对论初步——狭义相对论 一、狭义相对论 1．两条基本原理 （1）相对论原理：物理规律在所有_________系中都具有_______（相同/不同）的形式。 （2）光速不变原理：真空中的光速在所有惯性系中都是________（相同/不同）的，与光源和观测者的速度_________（有/无）关。 2．推论 （1）同时相对性，即在一个参考系中同时发生的事件，在另一个参考系中不再同时。 （2）钟慢效应：在惯性系中，运动的钟比静止的钟要走得________，这个结论也被称为狭义相对论的时间膨胀。 ①如果相对于地面以 v 运动的惯性系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作实际间隔为 Δt′，地面上的人观察到该物体完成这个动作的时间间隔为 Δt，则两者的关系式是 Δt = > Δt′。 ②固有时：在自身_________的参考系内测得的时间。固有时的时间间隔是最_______的。 （3）尺缩效应：物体沿__________方向的长度会___________，这个结果也被称为狭义相对论的长度收缩。 ①如果与杆相对静止人测的杆长为 L0，以速度 v 相对杆运动的人测得杆长为 L，则两者的关系是 L = L0< L0。 ②长度收缩只发生在__________（平行/垂直）于运动的方向上，________（平行/垂直）于运动方向上的长度没有收缩。 （4）质增效应：物体的运动速度越大，相应的运动质量也就越_____，运动质量 m = （m0 是物体的静止质量）。进一步可以推出狭义相对论的另一个重要结论，就是爱因斯坦质能关系：E = = mc2。 【例 2】 在地面附近有一高速飞行的宇宙飞行器，关于地面上的人和宇宙飞行器中的宇航员可能观察到的现象，正确的是（ ） A．地面上的人观察到宇宙飞行器变短了 B．地面上的人观察到宇宙飞行器变长了 C．宇航员观察到宇宙飞行器内的时钟变慢了 D．宇航员观察到宇宙飞行器内的时钟变快了 【例 3】 惯性系 S 中有一边长为 l 的正方形，从相对 S 系沿 x 方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图像是（ ） x y O l l A x y O l l B x y O l l C x y O l l D 【例 4】 【2023年上海会考】真空中的光速为 c。如图，一车厢在地面上做匀速直线运动，速度大小 v = 0.9c。车厢中央有一光源，光源正上方车顶安装一接收器，车厢内可视为真空。 1．在地面上的观察者看来，光源发出的一闪光v 前壁 后壁 A．同时到达车厢前壁和后壁 B．先到达车厢前壁 C．先到达车厢后壁 D．永远不会到达车厢后壁 2．光源发出的一闪光，车厢里的观察者和地面上的观察者均从发出闪光的时刻开始计时，车厢里的观察者记下闪光到达接收器的时间为 t1，地面上的观察者记下闪光到达接收器的时间 t2，则 A．t1 < t2 B．t1 = t2 C．t1 > t2 3．车厢里的观察者测得车厢长度为 L，则地面上的观察者测得该车厢长度为 A．L B．L C．L 【例 5】 【多选】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 同步精练 一、选择题 1． 牛顿力学不适用于高速运动，这里的“高速”是指（ ） A．声音在空气中的传播速度 B．第一宇宙速度 C．高铁列车允许行驶的最大速度 D．接近真空中光的传播速度 2． 【多选】下列物体的运动，哪些可以在牛顿力学的框架下得到解释？（ ） A．人造卫星 B．飞行的鸟 C．中子星 D．射出的子弹 E．电子 3． 下列运动中，牛顿力学规律适用的是（ ） A．研究原子中电子的运动 B．高能粒子（速度较大）进一步加速 C．粒子接近光速的运动 D．嫦娥一号探月卫星的运动 4． 下列描述不属于牛顿力学范围的是（ ） A．开普勒对行星运动规律的描述 B．伽利略对落体运动规律的描述 C．牛顿对物体低速运动规律的描述 D．爱因斯坦对粒子接近光速运动规律的描述 5． 经典力学有一定的局限性。当物体以下列速度运动时，经典力学不再适用的是（ ） A．2.5×10−1 m/s B．2.5×102 m/s C．2.5×105 m/s D．2.5×108 m/s 6． 下列现象中属于狭义相对论效应的是（ ） A．质量减小 B．长度增长 C．时间延缓 D．时间不变 7． 在一个惯性系中观测，两个事件同地不同时，则在其他惯性系中观测，结果它们（ ） A．一定同时 B．可能同时 C．不可能同时，但可能同地 D．不可能同时，也不可能同地 8． 如果有一列火车，以很高的速度运动，车窗沿运动方向为长，垂直运动方向为宽，根据相对论的知识，地面上的人发现（ ） A．车窗的长度比静止时更长 B．车窗的长度比静止时更短 C．车窗的宽度比静止时更宽 D．车窗的宽度比静止时更窄 9． 假设某人做一次高速的太空旅行并返回地球，从出发到返回他带的手表正好显示是1年，根据爱因斯坦的相对论观点，则地球上的经过的时间是（ ） A．也是 1 年 B．小于 1 年 C．大于 1 年 D．都有可能 10． 如图，假设一根长 10 cm 的箭以接近光速穿过一根长 10 cm 静止的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的。则下列说法正确的是（ ） A．静止的观察者看到箭收缩变短，因此在某个位置，管子能完全遮住箭 B．静止的观察者看到箭变长，因此在某个位置，箭从管子的两端伸出来 C．静止的观察者看到两者的收缩量相等，因此在某个位置，管子仍恰好遮住箭 D．如果箭和管子都以光速 c 相向运动，则二者的相对速度是 2c 11． 在高速行进的火车车厢正中的闪光灯发一次闪光向周围传播，闪光到达车厢后壁时，一只小猫在车厢后端出现，闪光到达车厢前壁时，两只小鸡在车厢前端出现。则（ ） A．在火车上的人看来，一只小猫先出现 B．在火车上的人看来，两只小鸡先出现 C．在地面上的人看来，一只小猫先出现 D．在地面上的人看来，两只小鸡先出现 12． 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 v1 和 v2 朝同一方向飞行的两枚火箭上，且 v1 < v2。地面上的观察者认为走得最快的时钟是（ ） A．A 时钟 B．B 时钟 C．C 时钟 D．无法确定 13． 【2016年江苏高考】一艘太空飞船静止时的长度为 30 m，他以 0.6c（c 为光速）的速度沿长度方向飞行经过地球，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 二、填空题 14． 【2013年江苏高考】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_______。飞船 B 飞船 A 信号 v v 15． 如图，一列火车以速度 v 相对地面运动，如果地面上的人测得：地面上一只光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁，则火车上的人测得此闪光先到达_________（选填“前壁”或“后壁”），这两束闪光的传播速度________（选填“相等”或“不相等”） 16． 【2011年江苏高考改编】如图所示，沿平直铁路线有间距均为 L 的三座铁塔 A、B 和 C，三座铁塔高也均为 L．假想有一列车沿 AC 方向以接近光速行驶，列车上的观测者测得塔高_______（选填“小于”、“等于”或“大于”）相邻塔间间距．当铁塔 B 发出一个闪光，列车上的观测者测得铁塔________（选填“A”或“C”）先被照亮。A B C 第二节 相对论初步——广义相对论 课时聚焦 二、广义相对论 1．两个基本原理： （1）等效原理：一个均匀引力场与一个做_____________运动的参考系等价。或者说，无法通过在密闭箱子里的实验来判断系统是_________在引力场中还是在无引力场情况下做_______运动。 （2）广义相对性原理：物理规律在任何参考系中都具有_________的形式。 2．实验和观察的证实 （1）水星公转轨道的近日点___________； （2）光经过太阳等大质量天体时的_____________；光线偏折 地球 远处恒星 视 线 方 向 太阳 近日点进动 进 动 太阳 行星 1 2 3 4 1 2 3 4 （3）引力红移：引力场发出的光被远处的观测者接收时波长会变_________，引力场越强，红移越大。 （4）引力波：时空涟漪会以_______的形式以_________向外传播。 （5）广义相对论的钟慢效应：引力场中的钟会变________，引力场越强，钟慢效应就越显著。即地面的地球钟比高空的钟要走得______。 【例 1】 广义相对论是狭义相对论的推广，也是牛顿引力理论的推广，是我们理解天体物理和宇宙学的重要理论基础。 （1）【多选】以下属于广义相对论基本原理的有（ ） A．相对性原理 B．等效原理 C．光速不变原理 D．广义相对性原理 （2）【多选】下列不属于广义相对论效应的是（ ） A．引力场中的谱线红移 B．水星公转轨道的近日点进动 C．运动的时钟变慢 D．物体的运动速度越大，运动质量越大 【例 2】 【2024年上海会考】我国发射了“东方红二号”人造卫星在绕地心转动时始终相对于地球表面静止。则 （1）【多选】“东方红二号”（ ） A．离地高度不变 B．运行轨道与地球赤道平面共面 C．运行周期和地球自转的周期相同 D．运行轨道平面过地球的南、北极 （2）根据广义相对论，静置于地面的钟与绕地运行的“东方红二号”里的钟相比（ ） A．两者一样快 B．静置于地面的钟快 C．“东方红二号”里的钟快 第三节 宇宙的起源与演化 课时聚焦 一、大爆炸宇宙学 1．哈勃定律 美国天文学家哈勃发现银河系以外的绝大部分星系都在_________我们，即星系都在退行，并且离我们越远的星系，其退行速度就越_______（大/小）。由此哈勃提出，星系的退行速度与距离成_________（正/反）比。 二、宇宙的演化： 宇宙起源于约 138 亿年前的_________大爆炸。 大爆炸 开始 粒子 开始 产生 质子和 中子 开始 产生 氢核 开始 产生 中性 原子 形成 第一批 恒星诞生 第一批 星系诞生 银河系 诞生 太阳系 诞生 今天的宇宙 正在加速膨胀 0 s 10−43 s 10−6 s 10 s 38万年 2亿年 10亿年 40亿年 90亿年 138亿年 三、恒星的演化 1．恒星起源于宇宙中的_________、__________等物质，原始星云在引力作用下聚集收缩形成___________。 2．原恒星进一步收缩，新的恒星诞生，这时候的恒星压力和引力达到平衡，处于稳定阶段，称之为__________。恒星在主序星阶段停留的时间最_______（长/短）。 3．小质量的恒星，逐渐形成体积巨大、表面温度较低的________，之后，恒星外层物质由于不断膨胀形成行星状星云，核心部分将形成__________。 4．大质量的恒星，晚期会形成_________，热核反应会一直持续到_______元素的产生，最后将发生_________爆炸，外层物质形成向外扩散的气体云，核心形成完全由________构成的中子星。高速旋转的中子星也叫________。 超新星爆发后营留下的遗迹，称之为__________星云。 5．质量更大的恒星，因为引力巨大，最后将形成更神秘的天体——_________。 【例 3】 参考书本图 8–15，填写下图中的空格： 超新星爆发 黑洞 主序星 原恒星 星云 小质量恒星 大质量恒星 质量更大的恒星 太阳 【例 4】 下列关于恒星演化的叙述中，错误的是（ ） A．星云中的气体和尘埃一旦紧缩成一个原恒星时，一颗新的恒星就诞生了 B．恒星的燃料消耗殆尽时，它就会膨胀变成巨星或超巨星 C．几个超巨星紧缩在一起时，形成了黑洞 D．超巨星可能爆炸成为超新星 同步精练 一、选择题 1． 关于广义相对论和狭义相对论之间的关系。下列说法正确的是（ ） A．它们之间没有任何联系 B．有了广义相对论，狭义相对论就没有存在的必要了 C．狭义相对论能够解决时空弯曲问题 D．为了解决狭义相对论中的参考系问题提出了广义相对论 2． 若宇宙飞船是全封闭的，航天员与外界没有任何联系，当他发现飞船内没有支撑的物体都以某一加速度落向舱底时，他作出的如下判断中，正确的是（ ） A．此飞船一定是停在某个星球的表面上 B．此飞船一定是正在远离任何天体的空间加速飞行 C．此飞船可能是停在某个星球的表面上，也可能是正在远离任何天体的空间加速飞行 D．此飞船可能是在远离任何天体的空间中匀速飞行 3． 预言引力波存在的物理学家是（ ） A．牛顿 B．爱因斯坦 C．伽利略 D．哈勃 4． 2016年科学家首次宣布探测到引力波，引力波的发现成为以下哪个理论的实验证据（ ） A．牛顿运动定律 B．万有引力定律 C．狭义相对论 D．广义相对论 5． 在适当的时候，通过仪器可以观察到太阳后面的恒星，这说明星体发出的光（ ） A．经太阳时发生了反射 B．可以穿透太阳及其他障碍物 C．在太阳引力场作用下发生了弯曲 D．经过太阳外的大气层时发生了折射 6． 全球定位系统卫星上要用一些装置去纠正卫星运动所造成的时间偏差，这一应用技术的理论来源是（ ） A．牛顿力学 B．爱因斯坦的相对论 C．量子力学 D．开普勒定律 7． 通过上网查阅资料我们就可以知道，科学家对于宇宙的起源有很多说法，现在大家比较认同的说法是（ ） A．大爆炸宇宙学 B．稳恒态宇宙学 C．等级式宇宙学 D．正反物质宇宙学 8． 关于宇宙起源，根据大多数宇宙科学家的认定，你认为下列说法正确的是（ ） ①宇宙诞生于距今约 138 亿年的一次大爆炸； ②大爆炸是整体的，涉及宇宙的全部物质及时间、空间； ③大爆炸导致宇宙空间处处膨胀，温度则相应下降； ④宇宙温度下降至一定程度，逐步形成超星系团、星系团、星系及恒星、行星等。 A．①②③ B．①③④ C．②④ D．①②③④ 9． 恒星（包括太阳）的前身是（ ） A．宇宙的微粒 B．星团 C．行星 D．星际云或星际云中的某块星云 10． 按照恒星演化的不同阶段分类，太阳目前属于（ ） A．原恒星 B．白矮星 C．红巨星 D．主序星 11． 太阳（恒星）辐射的能量来源于（ ） A．太阳的运动 B．太阳黑子爆发 C．氢气的燃烧 D．内部热核反应 12． 除了氦以外，恒星中最常见的化学元素是（ ） A．碳 B．钠 C．铁 D．氢 13． 恒星演化过程中，聚变反应到哪种元素产生后就停止？（ ） A．氧 B．硅 C．钙 D．铁 14． 下列有关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．当恒星变为巨星或超巨星时，就意味着这颗恒星刚刚诞生 C．黑洞就是质量最大的恒星 D．超巨星、巨星、主序星、白矮星和中子星等实际上就是恒星不同年龄阶段的形态 15． 我们观测到的宇宙的图景是（ ） A．宇宙当今的图景 B．宇宙过去的图景 C．宇宙将来的图景 D．一种虚拟的图景 16． 木村星系离地球为 1 亿光年，下列说法不正确的是（ ） A．木村星系的光需 1 亿年才能到达地球 B．在地球所见的为 1 亿年前的木村星系 C．可推知木村星系可能形成在 5 000 万年前 D．木村星系中最老的恒星年龄应该超过 1 亿年 17． 牛顿力学不适用于下列运动的是（ ） A．火箭的发射 B．宇宙飞船绕地球的运行 C．宇宙探测器在太空的运动 D．微观粒子的波动性 18． 属于狭义相对论基本假设的是在不同的惯性系中（ ） A．真空中光速不变 B．时间间隔具有相对性 C．物体的质量不变 D．物体的能量与质量成正比 19． 自然界中有质量的实际物体运动的最大速度不会超过（ ） A．空气中的光速 B．真空中的光速 C．电子绕原子核运动的速度 D．第三宇宙速度 20． 关于物体的质量，下列说法不正确的是（ ） A．在牛顿力学中，物体的质量是保持不变的 B．在牛顿力学中，物体的质量随物体的速度变化而变化 C．在狭义相对论中，物体静止时的质量最小 D．在狭义相对论中，物体的质量随物体速度的增大而增大 21． 假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，其内站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．这个人是一个矮胖子 B．这个人是一个瘦高个子 C．这个人矮但不胖 D．这个人瘦但不高 22． 【2009年安徽高考】大爆炸理论认为，我们的宇宙起源于 138 亿年前的一次大爆炸。除开始瞬间外，在演化至今的大部分时间内，宇宙基本上是匀速膨胀的。上世纪末，对 1A 型超新星的观测显示，宇宙正在加速膨胀，面对这个出人意料的发现，宇宙学家探究其背后的原因，提出宇宙的大部分可能由暗能量组成，它们的排斥作用导致宇宙在近段天文时期内开始加速膨胀。如果真是这样，则标志宇宙大小的宇宙半径 R 和宇宙年龄 t 的关系，大致是下面哪个图像？（ ） R t R t R t R t A B C D 23． 如图，质量和身高均相同的甲、乙两人分别乘坐速度为 0.6 c 和 0.8 c（c 为光速）的飞船在太空中同向运动，下列说法正确的是（ ） A．乙观察到甲身高变高 B．甲观察到乙身高变低 C．若甲向乙挥手，则乙观察到甲动作变快 D．若甲向乙发出一束光进行联络，则乙观察到该光速的传播速度为 c 24． 如图，一同学在教室上课，教室的长度为 9 m，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 9 m 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 二、填空题 25． 一艘太空飞船静止时长度为 d，它以 0.9c（c 为真空中的光速）的速度沿长度方向飞行经过地球。飞船上的观测者测得该飞船的长度________d，地球上的观测者测得飞船上发来光信号的速度________c。（均选填“大于”“等于”或“小于”） 26． 为了提高定位精度，卫星定位系统的时钟需要精确同步。导航卫星在高空绕地球高速运动，根据狭义相对论，卫星里的时钟要比静止在地面的时钟走得__________；而根据广义相对论，地面的引力场强于卫星所处位置的引力场，所以卫星里的时钟要比静止在地面的时钟走得__________。根据计算，这种情况下广义相对论的效应大大超过狭义相对论的效应，所以最终卫星里的时钟要比静止在地面的时钟走得__________。因此，如果不根据相对论效应修正，卫星定位的精度将大大降低。（均选填“快”或者“慢”） 2 2 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第八章 牛顿力学的局限性与相对论初步 第八章 牛顿力学的局限性与相对论初步 课程标准 2.3.1 知道牛顿力学的局限性，体会人类对自然界的探索是不断深入的。 2.3.2 初步了解相对论时空观。 2.3.3 关注宇宙起源和演化的研究进展。 第一节 牛顿力学的局限性 课时聚焦 牛顿力学的局限性 Comment by fj: 1．不可能，高速 2．微观 3．强引力场，演化 1．任何粒子的速度都___________（可能/不可能）超过光速，牛顿力学在______运动情况下不再适用。 2．牛顿力学在__________情景下不再适用，只有量子力学才能正确描述原子、质子及电子等微观粒子的性质和状态。 3．牛顿力学在___________情况下不再适用。牛顿力学在描述行星等弱引力场天体运动方面取得了很大成功，不仅预言了海王星的存在和哈雷彗星的回归，并且将地球上物体的运动规律和天体的运动规律统一起来。但无法正确描述中子星、黑洞等强引力场天体的运动，也不能用于描述宇宙的_________规律。 【例 1】 关于牛顿力学的适用范围和局限性，下列说法正确的是（ ） Comment by fj: D A．牛顿力学过时了，应该被相对论和量子力学所取代 B．由于超音速飞机的速度太大，其运动不能用牛顿力学来解释 C．人造卫星的运动不适合用牛顿力学来描述 D．当物体速度接近光速时，其运动规律不适合用牛顿力学来描述 第二节 相对论初步——狭义相对论 一、狭义相对论 1．两条基本原理 Comment by physics: 1．（1）惯性，相同 （2）相同，无 2．（2）慢 ② 静止，短 （3）运动，缩短 ② 平行，垂直 （4）大 注意：书本上没有出现“质增效应”这个单词，公式我认为也没必要背出。 （1）相对论原理：物理规律在所有_________系中都具有_______（相同/不同）的形式。 （2）光速不变原理：真空中的光速在所有惯性系中都是________（相同/不同）的，与光源和观测者的速度_________（有/无）关。 2．推论 （1）同时相对性，即在一个参考系中同时发生的事件，在另一个参考系中不再同时。 （2）钟慢效应：在惯性系中，运动的钟比静止的钟要走得________，这个结论也被称为狭义相对论的时间膨胀。 ①如果相对于地面以 v 运动的惯性系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作实际间隔为 Δt′，地面上的人观察到该物体完成这个动作的时间间隔为 Δt，则两者的关系式是 Δt = > Δt′。 ②固有时：在自身_________的参考系内测得的时间。固有时的时间间隔是最_______的。 （3）尺缩效应：物体沿__________方向的长度会___________，这个结果也被称为狭义相对论的长度收缩。 ①如果与杆相对静止人测的杆长为 L0，以速度 v 相对杆运动的人测得杆长为 L，则两者的关系是 L = L0< L0。 ②长度收缩只发生在__________（平行/垂直）于运动的方向上，________（平行/垂直）于运动方向上的长度没有收缩。 （4）质增效应：物体的运动速度越大，相应的运动质量也就越_____，运动质量 m = （m0 是物体的静止质量）。进一步可以推出狭义相对论的另一个重要结论，就是爱因斯坦质能关系：E = = mc2。 【例 2】 在地面附近有一高速飞行的宇宙飞行器，关于地面上的人和宇宙飞行器中的宇航员可能观察到的现象，正确的是（ ） Comment by fj: A 钟慢效应 A．地面上的人观察到宇宙飞行器变短了 B．地面上的人观察到宇宙飞行器变长了 C．宇航员观察到宇宙飞行器内的时钟变慢了 D．宇航员观察到宇宙飞行器内的时钟变快了 【例 3】 惯性系 S 中有一边长为 l 的正方形，从相对 S 系沿 x 方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图像是（ ） Comment by fj: C 尺缩效应 x y O l l A x y O l l B x y O l l C x y O l l D 【例 4】 【2023年上海会考】真空中的光速为 c。如图，一车厢在地面上做匀速直线运动，速度大小 v = 0.9c。车厢中央有一光源，光源正上方车顶安装一接收器，车厢内可视为真空。 Comment by fj: 1．C 难度0.48，同时相对性 2．A 难度0.52 3．C 难度0.60 2023年上海会考5 1．在地面上的观察者看来，光源发出的一闪光v 前壁 后壁 A．同时到达车厢前壁和后壁 B．先到达车厢前壁 C．先到达车厢后壁 D．永远不会到达车厢后壁 2．光源发出的一闪光，车厢里的观察者和地面上的观察者均从发出闪光的时刻开始计时，车厢里的观察者记下闪光到达接收器的时间为 t1，地面上的观察者记下闪光到达接收器的时间 t2，则 A．t1 < t2 B．t1 = t2 C．t1 > t2 3．车厢里的观察者测得车厢长度为 L，则地面上的观察者测得该车厢长度为 A．L B．L C．L 【例 5】 【多选】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（ ） Comment by physics: CD 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 同步精练 一、选择题 1． 牛顿力学不适用于高速运动，这里的“高速”是指（ ） Comment by fj: D A．声音在空气中的传播速度 B．第一宇宙速度 C．高铁列车允许行驶的最大速度 D．接近真空中光的传播速度 2． 【多选】下列物体的运动，哪些可以在牛顿力学的框架下得到解释？（ ） A．人造卫星 B．飞行的鸟 C．中子星 D．射出的子弹 E．电子 3． 下列运动中，牛顿力学规律适用的是（ ） Comment by fj: D A．研究原子中电子的运动 B．高能粒子（速度较大）进一步加速 C．粒子接近光速的运动 D．嫦娥一号探月卫星的运动 4． 下列描述不属于牛顿力学范围的是（ ） Comment by fj: D A．开普勒对行星运动规律的描述 B．伽利略对落体运动规律的描述 C．牛顿对物体低速运动规律的描述 D．爱因斯坦对粒子接近光速运动规律的描述 5． 经典力学有一定的局限性。当物体以下列速度运动时，经典力学不再适用的是（ ） Comment by fj: D A．2.5×10−1 m/s B．2.5×102 m/s C．2.5×105 m/s D．2.5×108 m/s 6． 下列现象中属于狭义相对论效应的是（ ） A．质量减小 B．长度增长 C．时间延缓 D．时间不变 7． 在一个惯性系中观测，两个事件同地不同时，则在其他惯性系中观测，结果它们（ ） Comment by fj: B A．一定同时 B．可能同时 C．不可能同时，但可能同地 D．不可能同时，也不可能同地 8． 如果有一列火车，以很高的速度运动，车窗沿运动方向为长，垂直运动方向为宽，根据相对论的知识，地面上的人发现（ ） Comment by fj: B A．车窗的长度比静止时更长 B．车窗的长度比静止时更短 C．车窗的宽度比静止时更宽 D．车窗的宽度比静止时更窄 9． 假设某人做一次高速的太空旅行并返回地球，从出发到返回他带的手表正好显示是1年，根据爱因斯坦的相对论观点，则地球上的经过的时间是（ ） Comment by fj: C A．也是 1 年 B．小于 1 年 C．大于 1 年 D．都有可能 10． 如图，假设一根长 10 cm 的箭以接近光速穿过一根长 10 cm 静止的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的。则下列说法正确的是（ ） Comment by fj: A A．静止的观察者看到箭收缩变短，因此在某个位置，管子能完全遮住箭 B．静止的观察者看到箭变长，因此在某个位置，箭从管子的两端伸出来 C．静止的观察者看到两者的收缩量相等，因此在某个位置，管子仍恰好遮住箭 D．如果箭和管子都以光速 c 相向运动，则二者的相对速度是 2c 11． 在高速行进的火车车厢正中的闪光灯发一次闪光向周围传播，闪光到达车厢后壁时，一只小猫在车厢后端出现，闪光到达车厢前壁时，两只小鸡在车厢前端出现。则（ ） Comment by fj: C 同时相对性 A．在火车上的人看来，一只小猫先出现 B．在火车上的人看来，两只小鸡先出现 C．在地面上的人看来，一只小猫先出现 D．在地面上的人看来，两只小鸡先出现 12． 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 v1 和 v2 朝同一方向飞行的两枚火箭上，且 v1 < v2。地面上的观察者认为走得最快的时钟是（ ） Comment by fj: A A．A 时钟 B．B 时钟 C．C 时钟 D．无法确定 13． 【2016年江苏高考】一艘太空飞船静止时的长度为 30 m，他以 0.6c（c 为光速）的速度沿长度方向飞行经过地球，下列说法正确的是（ ） Comment by fj: B 2016年江苏理综12B（1） 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 二、填空题 14． 【2013年江苏高考】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_______。 Comment by jing fan: 大于，c（或光速） 2013年江苏理综12B（2）飞船 B 飞船 A 信号 v v 15． 如图，一列火车以速度 v 相对地面运动，如果地面上的人测得：地面上一只光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁，则火车上的人测得此闪光先到达_________（选填“前壁”或“后壁”），这两束闪光的传播速度________（选填“相等”或“不相等”） Comment by fj: 前壁，相等 16． 【2011年江苏高考改编】如图所示，沿平直铁路线有间距均为 L 的三座铁塔 A、B 和 C，三座铁塔高也均为 L．假想有一列车沿 AC 方向以接近光速行驶，列车上的观测者测得塔高_______（选填“小于”、“等于”或“大于”）相邻塔间间距．当铁塔 B 发出一个闪光，列车上的观测者测得铁塔________（选填“A”或“C”）先被照亮。 Comment by physics: 大于，CA B C 第二节 相对论初步——广义相对论 课时聚焦 二、广义相对论 Comment by fj: 1．（1）匀加速，静止，加速 （2）相同 2．（1）进动 （2）偏折 （3）长 （4）波，光速 （5）慢，慢 1．两个基本原理： （1）等效原理：一个均匀引力场与一个做_____________运动的参考系等价。或者说，无法通过在密闭箱子里的实验来判断系统是_________在引力场中还是在无引力场情况下做_______运动。 （2）广义相对性原理：物理规律在任何参考系中都具有_________的形式。 2．实验和观察的证实 （1）水星公转轨道的近日点___________； （2）光经过太阳等大质量天体时的_____________；光线偏折 地球 远处恒星 视 线 方 向 太阳 近日点进动 进 动 太阳 行星 1 2 3 4 1 2 3 4 （3）引力红移：引力场发出的光被远处的观测者接收时波长会变_________，引力场越强，红移越大。 （4）引力波：时空涟漪会以_______的形式以_________向外传播。 （5）广义相对论的钟慢效应：引力场中的钟会变________，引力场越强，钟慢效应就越显著。即地面的地球钟比高空的钟要走得______。 【例 1】 广义相对论是狭义相对论的推广，也是牛顿引力理论的推广，是我们理解天体物理和宇宙学的重要理论基础。 （1）【多选】以下属于广义相对论基本原理的有（ ） Comment by physics: BD A．相对性原理 B．等效原理 C．光速不变原理 D．广义相对性原理 （2）【多选】下列不属于广义相对论效应的是（ ） Comment by physics: CD A．引力场中的谱线红移 B．水星公转轨道的近日点进动 C．运动的时钟变慢 D．物体的运动速度越大，运动质量越大 【例 2】 【2024年上海会考】我国发射了“东方红二号”人造卫星在绕地心转动时始终相对于地球表面静止。则 （1）【多选】“东方红二号”（ ） Comment by physics: ABC A．离地高度不变 B．运行轨道与地球赤道平面共面 C．运行周期和地球自转的周期相同 D．运行轨道平面过地球的南、北极 （2）根据广义相对论，静置于地面的钟与绕地运行的“东方红二号”里的钟相比（ ） Comment by physics: C A．两者一样快 B．静置于地面的钟快 C．“东方红二号”里的钟快 第三节 宇宙的起源与演化 课时聚焦 一、大爆炸宇宙学 1．哈勃定律 美国天文学家哈勃发现银河系以外的绝大部分星系都在_________我们，即星系都在退行，并且离我们越远的星系，其退行速度就越_______（大/小）。由此哈勃提出，星系的退行速度与距离成_________（正/反）比。 Comment by fj: 远离，大，正 二、宇宙的演化： 宇宙起源于约 138 亿年前的_________大爆炸。 Comment by fj: （1）138 大爆炸 开始 粒子 开始 产生 质子和 中子 开始 产生 氢核 开始 产生 中性 原子 形成 第一批 恒星诞生 第一批 星系诞生 银河系 诞生 太阳系 诞生 今天的宇宙 正在加速膨胀 0 s 10−43 s 10−6 s 10 s 38万年 2亿年 10亿年 40亿年 90亿年 138亿年 三、恒星的演化 Comment by physics: 1．气体，尘埃，原恒星 2．主序星，长 3．红巨星，白矮星 4．红超巨星，铁，超新星，中子 脉冲星，蟹状星云 ⑤ 黑洞 暗物质和暗能量课堂上提一下即可，本手册不出现 1．恒星起源于宇宙中的_________、__________等物质，原始星云在引力作用下聚集收缩形成___________。 2．原恒星进一步收缩，新的恒星诞生，这时候的恒星压力和引力达到平衡，处于稳定阶段，称之为__________。恒星在主序星阶段停留的时间最_______（长/短）。 3．小质量的恒星，逐渐形成体积巨大、表面温度较低的________，之后，恒星外层物质由于不断膨胀形成行星状星云，核心部分将形成__________。 4．大质量的恒星，晚期会形成_________，热核反应会一直持续到_______元素的产生，最后将发生_________爆炸，外层物质形成向外扩散的气体云，核心形成完全由________构成的中子星。高速旋转的中子星也叫________。 超新星爆发后营留下的遗迹，称之为__________星云。 5．质量更大的恒星，因为引力巨大，最后将形成更神秘的天体——_________。 【例 3】 参考书本图 8–15，填写下图中的空格： 超新星爆发 黑洞 主序星 原恒星 星云 小质量恒星 大质量恒星 质量更大的恒星 太阳 【例 4】 下列关于恒星演化的叙述中，错误的是（ ） Comment by fj: C A．星云中的气体和尘埃一旦紧缩成一个原恒星时，一颗新的恒星就诞生了 B．恒星的燃料消耗殆尽时，它就会膨胀变成巨星或超巨星 C．几个超巨星紧缩在一起时，形成了黑洞 D．超巨星可能爆炸成为超新星 同步精练 一、选择题 1． 关于广义相对论和狭义相对论之间的关系。下列说法正确的是（ ） Comment by physics: D A．它们之间没有任何联系 B．有了广义相对论，狭义相对论就没有存在的必要了 C．狭义相对论能够解决时空弯曲问题 D．为了解决狭义相对论中的参考系问题提出了广义相对论 2． 若宇宙飞船是全封闭的，航天员与外界没有任何联系，当他发现飞船内没有支撑的物体都以某一加速度落向舱底时，他作出的如下判断中，正确的是（ ） Comment by physics: C 广义相对论等效原理 A．此飞船一定是停在某个星球的表面上 B．此飞船一定是正在远离任何天体的空间加速飞行 C．此飞船可能是停在某个星球的表面上，也可能是正在远离任何天体的空间加速飞行 D．此飞船可能是在远离任何天体的空间中匀速飞行 3． 预言引力波存在的物理学家是（ ） Comment by fj: B 这个知识点新教材里没有提及 A．牛顿 B．爱因斯坦 C．伽利略 D．哈勃 4． 2016年科学家首次宣布探测到引力波，引力波的发现成为以下哪个理论的实验证据（ ） Comment by physics: D A．牛顿运动定律 B．万有引力定律 C．狭义相对论 D．广义相对论 5． 在适当的时候，通过仪器可以观察到太阳后面的恒星，这说明星体发出的光（ ） Comment by fj: C A．经太阳时发生了反射 B．可以穿透太阳及其他障碍物 C．在太阳引力场作用下发生了弯曲 D．经过太阳外的大气层时发生了折射 6． 全球定位系统卫星上要用一些装置去纠正卫星运动所造成的时间偏差，这一应用技术的理论来源是（ ） Comment by fj: B A．牛顿力学 B．爱因斯坦的相对论 C．量子力学 D．开普勒定律 7． 通过上网查阅资料我们就可以知道，科学家对于宇宙的起源有很多说法，现在大家比较认同的说法是（ ） Comment by fj: A A．大爆炸宇宙学 B．稳恒态宇宙学 C．等级式宇宙学 D．正反物质宇宙学 8． 关于宇宙起源，根据大多数宇宙科学家的认定，你认为下列说法正确的是（ ） Comment by fj: D ①宇宙诞生于距今约 138 亿年的一次大爆炸； ②大爆炸是整体的，涉及宇宙的全部物质及时间、空间； ③大爆炸导致宇宙空间处处膨胀，温度则相应下降； ④宇宙温度下降至一定程度，逐步形成超星系团、星系团、星系及恒星、行星等。 A．①②③ B．①③④ C．②④ D．①②③④ 9． 恒星（包括太阳）的前身是（ ） Comment by fj: D A．宇宙的微粒 B．星团 C．行星 D．星际云或星际云中的某块星云 10． 按照恒星演化的不同阶段分类，太阳目前属于（ ） Comment by fj: D A．原恒星 B．白矮星 C．红巨星 D．主序星 11． 太阳（恒星）辐射的能量来源于（ ） Comment by fj: D A．太阳的运动 B．太阳黑子爆发 C．氢气的燃烧 D．内部热核反应 12． 除了氦以外，恒星中最常见的化学元素是（ ） Comment by fj: D A．碳 B．钠 C．铁 D．氢 13． 恒星演化过程中，聚变反应到哪种元素产生后就停止？（ ） Comment by fj: D A．氧 B．硅 C．钙 D．铁 14． 下列有关恒星的说法正确的是（ ） Comment by fj: D A．极少数恒星有着和太阳相同的化学成分 B．当恒星变为巨星或超巨星时，就意味着这颗恒星刚刚诞生 C．黑洞就是质量最大的恒星 D．超巨星、巨星、主序星、白矮星和中子星等实际上就是恒星不同年龄阶段的形态 15． 我们观测到的宇宙的图景是（ ） Comment by fj: B A．宇宙当今的图景 B．宇宙过去的图景 C．宇宙将来的图景 D．一种虚拟的图景 16． 木村星系离地球为 1 亿光年，下列说法不正确的是（ ） Comment by fj: C A．木村星系的光需 1 亿年才能到达地球 B．在地球所见的为 1 亿年前的木村星系 C．可推知木村星系可能形成在 5 000 万年前 D．木村星系中最老的恒星年龄应该超过 1 亿年 17． 牛顿力学不适用于下列运动的是（ ） Comment by fj: D A．火箭的发射 B．宇宙飞船绕地球的运行 C．宇宙探测器在太空的运动 D．微观粒子的波动性 18． 属于狭义相对论基本假设的是在不同的惯性系中（ ） Comment by fj: A A．真空中光速不变 B．时间间隔具有相对性 C．物体的质量不变 D．物体的能量与质量成正比 19． 自然界中有质量的实际物体运动的最大速度不会超过（ ） Comment by fj: B A．空气中的光速 B．真空中的光速 C．电子绕原子核运动的速度 D．第三宇宙速度 20． 关于物体的质量，下列说法不正确的是（ ） Comment by fj: B A．在牛顿力学中，物体的质量是保持不变的 B．在牛顿力学中，物体的质量随物体的速度变化而变化 C．在狭义相对论中，物体静止时的质量最小 D．在狭义相对论中，物体的质量随物体速度的增大而增大 21． 假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，其内站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（ ） Comment by fj: D A．这个人是一个矮胖子 B．这个人是一个瘦高个子 C．这个人矮但不胖 D．这个人瘦但不高 22． 【2009年安徽高考】大爆炸理论认为，我们的宇宙起源于 138 亿年前的一次大爆炸。除开始瞬间外，在演化至今的大部分时间内，宇宙基本上是匀速膨胀的。上世纪末，对 1A 型超新星的观测显示，宇宙正在加速膨胀，面对这个出人意料的发现，宇宙学家探究其背后的原因，提出宇宙的大部分可能由暗能量组成，它们的排斥作用导致宇宙在近段天文时期内开始加速膨胀。如果真是这样，则标志宇宙大小的宇宙半径 R 和宇宙年龄 t 的关系，大致是下面哪个图像？（ ） R t R t R t R t A B C D 23． 如图，质量和身高均相同的甲、乙两人分别乘坐速度为 0.6 c 和 0.8 c（c 为光速）的飞船在太空中同向运动，下列说法正确的是（ ） Comment by fj: D A．乙观察到甲身高变高 B．甲观察到乙身高变低 C．若甲向乙挥手，则乙观察到甲动作变快 D．若甲向乙发出一束光进行联络，则乙观察到该光速的传播速度为 c 24． 如图，一同学在教室上课，教室的长度为 9 m，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（ ） Comment by fj: C A．教室中的时钟变快 B．教室的长度大于 9 m 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 二、填空题 25． 一艘太空飞船静止时长度为 d，它以 0.9c（c 为真空中的光速）的速度沿长度方向飞行经过地球。飞船上的观测者测得该飞船的长度________d，地球上的观测者测得飞船上发来光信号的速度________c。（均选填“大于”“等于”或“小于”） Comment by fj: 等于，等于 26． 为了提高定位精度，卫星定位系统的时钟需要精确同步。导航卫星在高空绕地球高速运动，根据狭义相对论，卫星里的时钟要比静止在地面的时钟走得__________；而根据广义相对论，地面的引力场强于卫星所处位置的引力场，所以卫星里的时钟要比静止在地面的时钟走得__________。根据计算，这种情况下广义相对论的效应大大超过狭义相对论的效应，所以最终卫星里的时钟要比静止在地面的时钟走得__________。因此，如果不根据相对论效应修正，卫星定位的精度将大大降低。（均选填“快”或者“慢”） Comment by physics: 慢，快，快 2 2 学科网（北京）股份有限公司 $$