第7章 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性-【金版教程】2024-2025学年高中物理必修第二册作业与测评课件PPT（人教版2019）

第七章　万有引力与 宇宙航行 5.相对论时空观与牛顿力学 的局限性 目录 1 必备知识　对点集训 关键能力提升练 2 必备知识　对点集训 必备知识一　光速不变原理 1．一颗以0.1c的速度朝地球运动的星突然爆炸变为一颗明亮的超新星，爆炸所发出的光离开这颗超新星的速度为_____________，在地球测量，这束光射向地球的速度为_____________。 解析：这颗超新星和地球都可近似看成是惯性系，因在一切惯性参考系中，真空中的光速都相同，因此光以c＝3×108 m/s的速度离开超新星，也以这个速度射向地球。 3×108 m/s 3×108 m/s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 必备知识 对点集训 必备知识二　“同时”的相对性 2．如图所示，沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C，假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光， 列车上的观察者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是(　　) A．同时被照亮 B．A先被照亮 C．C先被照亮 D．无法判断 解析：列车上的观察者看到的是由B发出后经过A和C反射的光，由于列车在这段时间内向C运动，靠近C而远离A，所以C的反射光先到达列车上的观察者，观察者测得C先被照亮，故C正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 必备知识 对点集训 必备知识三　时间延缓效应 3．某考生现在正在完成100分钟的期末物理考试，假设一艘飞船相对该考生以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该考生考完这场考试所用时间(　　) A．大于100分钟 B．等于100分钟 C．小于100分钟 D．不能确定 1 2 3 4 5 6 7 8 9 必备知识 对点集训 4．设想飞船在甲、乙两个相距8亿千米的星球间飞行，甲、乙两星球及飞船上各有一个巨大的钟，现飞船相对星球以0.75c(c是真空中光速)的速度离开甲星球飞向乙星球，飞船经过甲星球时，三个钟均调整指到3：00整。则当飞船飞过乙星球的瞬间，飞船内的人看到乙星球上的钟指向的时间为________，看到飞船上的钟指向的时间为________。 4：00 3：40 1 2 3 4 5 6 7 8 9 必备知识 对点集训 必备知识四　长度收缩效应 5．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，根据相对论时空观，则A测得两飞船间的距离(　　) A．大于L B．等于L C．小于L D．与v无关 1 2 3 4 5 6 7 8 9 必备知识 对点集训 1 2 3 4 5 6 7 8 9 必备知识 对点集训 6．惯性系S中有一边长为l的正方形，从相对S系沿x轴方向以接近光速飞行的飞行器上测得该正方形的图像是(　　) 解析：由相对论知识可知运动方向上的边长变短，即沿x轴方向的边长变短，垂直于运动方向的边长不变，即沿y轴方向的边长不变，故C正确，A、B、D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 必备知识 对点集训 7．如果一观察者测得沿长度方向运动着的米尺长0.5 m(米尺的静止长度为1 m)，则此尺相对于观察者的速度为_____________。 2.6×108 m/s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 必备知识 对点集训 必备知识五　牛顿力学的成就与局限性 8．(多选)下面说法中正确的是(　　) A．当物体运动速度远小于光速时，相对论物理学和牛顿力学的结论没有区别 B．当物体运动速度接近光速时，相对论物理学和牛顿力学的结论没有区别 C．当普朗克常量h可以忽略不计时(h＝6.63×10－34 J·s)，量子力学和牛顿力学的结论没有区别 D．当普朗克常量h不能忽略不计时(h＝6.63×10－34 J·s)，量子力学和牛顿力学的结论没有区别 解析：牛顿力学可以认为是相对论物理学在低速(远小于光速)状态下的特例，是量子力学在宏观(h可以忽略不计)状态下的特例，A、C正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 必备知识 对点集训 9．(多选)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．牛顿力学理论的成立具有一定的局限性 C．在牛顿力学中，物体的长度不随运动状态的改变而改变 D．相对论与量子力学否定了牛顿力学理论 解析：牛顿力学理论只适用于宏观、低速运动的物体，A错误；牛顿力学只在一定条件下适用，具有一定局限性，B正确；牛顿力学研究的是低速运动问题，物体的长度变化很小，可以认为不变，C正确；相对论和量子力学并没有否定牛顿力学，认为牛顿力学是在一定条件下的特殊情形，D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 必备知识 对点集训 关键能力提升练 1．用相对论的观点判断，下列说法错误的是(　　) A．时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变 B．在地面上的人看来，以10 km/s的速度运动的飞船中的时钟会变慢，但是飞船中的宇航员却看到时钟是准确的 C．在地面上的人看来，以10 km/s的速度运动的飞船在运动方向上会变窄，而飞船中的宇航员却感觉到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些 D．当物体运动的速度v≪c时，“时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽略不计 1 2 3 4 5 6 7 关键能力提升练 1 2 3 4 5 6 7 关键能力提升练 2．下列说法正确的是(　　) A．牛顿力学能够说明微观粒子的规律性 B．牛顿力学适用于宏观物体的低速运动问题，不适用于高速运动的物体 C．相对论与量子力学的出现，说明牛顿力学已失去意义 D．对于宏观物体的高速运动问题，牛顿力学仍适用 解析：牛顿力学适用于宏观、低速运动的物体，不适用于高速运动的物体，也不能说明微观粒子的规律性，相对论与量子力学的出现，是一种完善和拓展，牛顿力学并没有失去其存在的意义，B正确，A、C、D错误。 1 2 3 4 5 6 7 关键能力提升练 3．(多选)如图所示，假设一根长10 cm的梭镖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。下列说法正确的是(　　) A．静止的观察者看到梭镖收缩变短，因此在某个位置，管子能完全遮住梭镖 B．静止的观察者看到梭镖变长，因此在某个位置，梭镖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，管子仍恰好遮住梭镖 D．相对梭镖静止的观察者看到管子变短，在某个位置，梭镖从管子的两端伸出来 1 2 3 4 5 6 7 关键能力提升练 解析：根据相对论时空观的长度收缩效应可知，静止的观察者看到梭镖收缩变短，而管子长度不变，因此在某个位置，管子能完全遮住梭镖，A正确，B、C错误；管子相对梭镖高速运动，由相对论时空观的长度收缩效应可知，相对梭镖静止的观察者看到管子变短，而梭镖长度不变，故在某个位置，梭镖从管子的两端伸出来，D正确。 1 2 3 4 5 6 7 关键能力提升练 4．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 1 2 3 4 5 6 7 关键能力提升练 5．如图所示，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 1 2 3 4 5 6 7 关键能力提升练 解析：根据爱因斯坦的相对论，可知飞行器中的飞行员认为教室中的时钟变慢，教室的长度变短，即长度小于9 m，A、B错误；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，D错误；以教室为参考系，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，以飞行器为参考系，光向前、向后传播的速度也相等，光传播的过程中，教室相对飞行器向教室前方运动了一段距离，故光向后壁传播的路程短些，到达后壁的时刻早些，C正确。 1 2 3 4 5 6 7 关键能力提升练 6．(1)按照狭义相对论的观点，在太空中“迎着”光飞行的宇宙飞船上，观察者测得的光速________c(选填“大于”“等于”或“小于”，其中c为真空中的光速)。 (2)由于狭义相对论效应，北斗卫星导航系统卫星上的原子钟会因为高速运动而导致时间________(选填“变慢”或“变快”)，这些时钟如果不加以校正的话，系统每天将累积很大的定位误差，因此，这些卫星的软件需要计算和抵消相对论效应，确保定位准确。 解析：(1)根据狭义相对论的光速不变原理知，光速的大小与光源以及观察者的运动状态无关，所以观察者测出的光速等于c。 (2)根据狭义相对论的时间延缓效应，北斗卫星导航系统卫星上的原子钟会因为高速运动而导致时间变慢。 等于 变慢 1 2 3 4 5 6 7 关键能力提升练 7．在6000 m的高空大气层中产生了一个μ介子，以速度v＝0.998c垂直飞向地面，μ介子在自身静止参考系中的寿命为Δτ＝2×10－6 s，求： (1)在地球上的观察者看来，μ介子能否到达地面？ (2)在和μ介子相对静止的参考系中的观察者看来，μ介子能否到达地面？ 答案：(1)能　(2)能 1 2 3 4 5 6 7 关键能力提升练 1 2 3 4 5 6 7 关键能力提升练 　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　 R 解析：根据狭义相对论可知，飞船相对该考生以0.3c的速度匀速飞过时，飞船上的观察者认为该考生考完这场考试所用的时间Δt＝eq \f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))\s\up12(2)))>Δτ，可知飞船上的观察者认为该考生考完这场考试所用的时间大于100分钟，A正确，B、C、D错误。 解析：在乙星球的观察者看来，飞船飞越的时间为：t＝eq \f(8×1011,0.75×3.0×108) s≈3600 s＝1 h 所以，飞船内的人看到乙星球上的钟指到4：00。在飞船内的观察者看来，飞船飞越的时间t′为：t′＝teq \r(1－\f(v2,c2))＝1×eq \r(1－0.752) h＝0.66 h＝40 min 所以，飞船内的人看到飞船上的钟指到3：40。 解析：公式l＝l0eq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))\s\up12(2))中，l0为在相对静止参考系中测得的长度，l为在沿l0方向相对运动的参考系中测得的长度。本题在地面上测得A、B相距为L，是在相对运动参考系中测得的，设A测得两飞船的距离为L′，是在相对静止参考系中测得的，则L＝L′eq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))\s\up12(2))，eq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))\s\up12(2))<1，则L′大于L。故A正确，B、C、D错误。 解析：由l＝l0eq \r(1－\f(v2,c2))得：v＝c2,0)eq \r(1－\f(l2,l)) ＝ ceq \r(1－0.52)＝0.87c＝2.6×108 m/s。 解析：根据相对论的观点，时间和空间都是相对的，故A错误；由Δt＝eq \f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))\s\up12(2)))可知，在地面上的人看来，以10 km/s的速度运动的飞船中的时钟变慢了，但飞船中的时钟相对宇航员静止，则飞船中的宇航员看到时钟是准确的，故B正确；由l＝l0eq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))\s\up12(2))可知，在地面上的人看飞船和飞船上的人看地面上的人均沿运动方向上长度减小，故C正确；当v≪c时，“时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽略不计，故D正确。本题选说法错误的，故选A。 解析：根据相对论时空观的时间延缓效应，有Δt＝eq \f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))\s\up12(2)))，由于列车速度v小于光速c，所以1－eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c))) eq \s\up12(2)<1，则Δt>Δτ，故选B。 解析：(1)在地球上的观察者看来，μ介子的寿命为 Δt＝eq \f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))\s\up12(2)))＝eq \f(2×10－6,\r(1－0.9982)) s＝3.16×10－5 s μ介子从h＝6000 m的高空大气层中飞到地面所需时间 t＝eq \f(h,v)＝eq \f(6000,0.998×3.0×108) s＝2.0×10－5 s<Δt 可知在地球上的观察者看来，μ介子能到达地面。 (2)在和μ介子相对静止的参考系中的观察者看来，根据长度收缩效应，μ介子到地面的距离为l＝heq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))\s\up12(2))＝6000×eq \r(1－0.9982) m＝379 m μ介子到达地面需要的时间t′＝eq \f(l,v)＝eq \f(379,0.998×3×108) s＝1.27×10－6 s<Δt 可知在和μ介子相对静止的参考系中的观察者看来，μ介子能到达地面。 $$