7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性（讲义）（3知识点+3题型+课后巩固：分层练）-2024～2025学年高一下学期物理知识详解与题型练习（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 【目标导航】 2 【思维导图】 2 【教材详解】 2 知识点1：绝对时空观 2 知识点2：相对时空观 3 知识点3：牛顿力学的成就与局限性 4 【经典题型】 5 题型01狭义相对论的两个基本假设 5 题型02时间和空间相对性 5 题型03牛顿力学的成就和局限性 6 【课后巩固】 7 【基础练·强化巩固】 7 【拓展练·培优拔高】 9 课堂目标 关键词 1. 知道爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设。 2. 知道时间延缓效应和长度收缩效应、知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。 3. 知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。 ①时间与时空 ②光速不变 ③时间延缓、长度收缩 ④牛顿力学的适用范围 知识点1：绝对时空观 1. 研究对象的特点 (1)低速运动：运动速度远小于光速。如射出的子弹跟光速相比也属于低速。 (2)宏观物体：肉眼可见的物体就属于宏观物体。 我们通常所接触的物体都是宏观物体，所接触的运动都属于低速运动，牛顿运动定律适用于低速、宏观物体的运动。 2. 绝对时空观——牛顿力学时空观 绝对时空观认为时间和空间是两个独立的概念，彼此之间没有联系。绝对时空观认为时间与空间的度量与惯性参考系的运动状态无关，同一物体在不同惯性参考系中观察到的运动学量是不变的。 3. 惯性系和非惯性系 (1)惯性系：凡是牛顿运动定律成立的参考系称为惯性参考系，简称惯性系。一切相对于惯性系做匀速直线运动或者静止的参考系也是惯性系。 (2)非惯性系：相对于惯性系做加速运动的参考系称为非惯性系。任何一个相对地面具有加速度的物体都可以被当作非性系，牛顿运动定律对非惯性系不成立。 知识点2：相对时空观 1. 相对论时空观产生的背景 (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。 (2)1887年，迈克耳孙一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。 2. 爱因斯坦的假设 (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 3. 时间延缓效成 如果相对于地面以速度v运动的惯性参考系中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，地面上的人观察到该物体完成这个动作的时间间隔为，那么两者间的关系：，由于，所以总有，此种情况称为时间延缓效应。 【点拨】时间延缓效应概念理解 时间延缓效应的核心是：观察某个过程所用的时间时，静止在地面上观察所用时间比在高速运动物体上观察所用时间长。 4. 时间延缓效应 如果与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以速度v相对杆运动的人测得杆长是l，那么两者之间的关系是：，由于，所以总有，此种情况称为长度收缩效应。 【点拨】长度收缩效应的概念理解 （1）长度收缩效应的核心是：测量某物体的长度时，在高速运动物体上所测物体的长度比静止在地面上所测物体的长度短; （2）只要两者有相对速度，观察者都会看到长度收缩效应。 5. 经典力学与相对论的比较 项目 经典力学 相对论 适用范围 低速运动，宏观世界 任何情况都使用 速度的合成 遵守平行四边形法则 不遵守平行四边形法则 速度对质量的影响 质量不变 质量随其速度的增大而变大 速度对时间的影响 无影响 时间延缓效应 速度对长度的影响 无影响 长度收缩效应 联系 以下两种情况，相对论与经典力学的结论没有区别 ①物体的速度远小于光速c(3x108m/s)时; ②普朗克常量(6.63×10-34J·s)可以忽略不计时 知识点3：牛顿力学的成就与局限性 1. 经典力学的发展历程 从亚里士多德的物理学发展到经典力学体系经历了约两千年，其中以哥白尼、开普勒和伽利略等为代表的科学家做出了巨大贡献，牛顿在伽利略、笛卡儿、开普勒，惠更斯等人研究的基础上，进行了一次科学的伟大的综合，形成了一个以实验为基础、以数学为表达形式的力学知识体系 2. 牛顿力学的伟大成就 牛顿运动定律和万有引力定律把天体的运动与地面上物体的运动统一起来，是人类对自然界认识的第一次大综合，从地面上物体的运动到天体的运动，牛顿力学在广阔的领域与实际相符合，显示了牛顿运动定律的正确性和牛顿力学的魅力。 3. 牛顿力学的局限性 (1)牛顿力学的适用范围：只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用宏观物体，不适用微观物体； (2)量子力学：对于高速(接近于光速)运动，遵从相对论力学规律，微观物体(电子、质子、中子、中微子等)遵从量子力学规律。 【拓展】运动：只适用于宏观物体，不适用于微观物体。 题型01狭义相对论的两个基本假设 【典例1】（24-25高三上·上海·期中）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 【变式1-1】（23-24高一下·河北石家庄·期末）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 【变式1-2】（23-24高一下·上海闵行·期末）你现在正在完成60分钟的物理考试，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），从理论上看，飞船上的观察者认为你考完这场考试所用时间 60分钟。（填“>”或“<”） 题型02时间和空间相对性 【典例2】（24-25高一下·陕西西安·阶段练习）若在速度为8km/s的飞船上有一只完好的手表走过了1min，则地面上的人认为它走过这1min钟“实际”上花的时间最接近的是（　　） A．0.5min B．1min C．5min D．10min 【变式2-1】（24-25高二上·上海闵行·期中）2021年10月17日，神舟十三号载人飞船出征太空，并成功与中国空间站组合体完成自主对接、出舱，以及在轨驻留六个月，空间站绕地球一圈约90分钟。驻留期间，航天员进行了“天宫课堂”授课，王亚平抛出一只“冰墩墩”后，“冰墩墩”沿抛出方向近似匀速直线前进。 （1）根据下列器材在地面上使用时的主要功能，航天员在空间站中同样可以正常使用的是（　　） A．单摆演示器 B．弹簧拉力器 C．家用体重秤 D．哑铃 （2）神舟十三号与空间站对接过程中， （选填：A．可以  B．不可以）把神舟十三号看作质点。 （3）“天宫课堂”中，“冰墩墩”近似匀速直线前进，这一过程中“冰墩墩”受到（　　） A．万有引力 B．向心力 C．离心力 （4）空间站绕地球运行的角速度约为 rad/s。（保留2位有效数字）。 （5）空间站的速度 第一宇宙速度（选涂：A．大于B．等于C．小于）；同步地球卫星的周期为 小时。 （6）空间站绕地球运行的轨道半径，约为地球静止卫星绕地球运行的轨道半径的（　　） A． B． C． （7）考虑相对论效应，在高速飞行的空间站里的时钟走过10s，理论上站在地面上的观察者手里的时钟走过的时间（　　） A．大于10s B．小于10s C．等于10s D．都有可能 【变式2-2】（23-24高一下·四川绵阳·期末）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 题型03牛顿力学的成就和局限性 【典例3】判断下列说法的正误。 (1)相对论和量子力学的出现，说明经典力学已失去意义。( ) (2)原子中电子的运动能用经典力学进行解释。( ) (3)牛顿运动定律适用于低速、宏观的研究领域。( ) (4)相对论与量子力学的出现否定了经典力学。( ) 【变式3-1】关于牛顿力学、狭义相对论和量子力学，下列说法中正确的是（   ） A．狭义相对论和牛顿力学是相互对立的、互不相容的两种理论 B．在物体高速运动时，物体的运动规律遵循狭义相对论，在低速运动时，物体的运动遵循牛顿运动定律 C．牛顿力学适用于宏观物体的运动，量子力学适用于微观粒子的运动 D．不论是宏观物体，还是微观粒子，牛力学和量子力学都是适用的 【变式3-2】（多选）（24-25高二上·浙江杭州·期末）下列说法正确的是（    ） A．在研究高速（接近光速），微观（小到分子，原子的尺度）领域，牛顿运动定律不再适用，动量守恒定律也不再适用 B．高压输电线上方两条接地导线的作用是把高压线屏蔽起来，防止雷击 C．核电站是利用可控核裂变来发电的 D．根据相对论的时空观，运动物体的长度（空间距离）和物理过程的快慢（时间进程）跟物体的运动状态无关 【基础练·强化巩固】 1．（23-24高一下·广东深圳·期中）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．（23-24高一下·陕西西安·阶段练习）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 3．（23-24高一下·上海·期末）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 4．（2024高一下·全国·专题练习）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 5．（21-22高一下·全国·单元测试）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 6．（2021高一·全国·专题练习）一个电子运动的速度，此时它的质量测量值与静质量相比（　　） A．变大 B．变小 C．相等 D．无法确定 7．（20-21高一下·江苏徐州·期末）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 8．（22-23高一下·新疆伊犁·期末）物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识，推动了科学技术的创新和革命，促进了人类文明的进步，下列关于物理学家的贡献正确的是（    ） A．开普勒发现了万有引力定律 B．牛顿测出了万有引力常量 C．爱因斯坦创立了狭义相对论 D．卡文迪什测出了静电力常量 9．（23-24高一下·陕西西安·阶段练习）狭义相对论中，除了时间延缓效应，长度收缩效应，还有一个“质量增加效应”，狭义相对论的质量公式为：，其中为物体静止时的质量，m为高速运动时的质量，一枚静止时重30吨的火箭，现在以光速的的速度从观察者的身边掠过，观察者用某高科技仪器测出的火箭的质量为（    ） A．30吨 B．40吨 C．50吨 D．60吨 10．（23-24高一·全国·课堂例题）（1）如图甲，飞机匀速飞行，封闭机舱中的人能用抛球的力学实验判断飞机相对于地面的速度吗？地面参考系和飞机参考系的力学规律相同吗？ （2）如图乙所示，火车以0.9倍的光速（即v=0.9c）行驶，一个人相对火车用手电筒向前进方向上照射，在地面上观察，这束光的速度是多少？ 11．（22-23高一下·全国·单元测试）地面上长100km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30km/s的速度掠过，则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少？如果火箭的速度达到0.6c，则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少？ 【拓展练·培优拔高】 1．（24-25高一上·浙江宁波·阶段练习）根据气体吸收谱线的红移现象推算，有的类星体远离我们的速度竟达光速c的80%，即每秒24万千米。下列结论正确的是(　　) A．在类星体上测得它发出的光的速度是(1+80%)c B．在地球上接收到它发出的光的速度是(1-80%)c C．在类星体上测得它发出的光的速度是c D．在地球上测得它发出的光的速度是0.8c 2．（24-25高二上·上海·开学考试）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 3．相对于地球的速度为v的一飞船，要到离地球为5光年的星球上去。若飞船的宇航员测得该旅程为3光年，则v应为（　　） A． B． C． D． 4．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 5．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 6．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 7．（2024·广东汕头·二模）神舟十七号载人飞船与距离地面约的天宫空间站成功对接。变轨过程可简化为如图：飞船先从圆形轨道Ⅰ的A位置变轨到椭圆轨道Ⅱ，再从B位置变轨进入空间站所在的圆形轨道Ⅲ。假设空间站轨道半径为r，地球半径为R，地球表面的重力加速度为g。下列说法正确的是（　　） A．空间站内的航天员处于“悬浮”状态是因为他所受到合外力为零 B．飞船沿椭圆轨道Ⅱ由A点到B点的时间为 C．空间站的向心加速度大于赤道上的物体随地球自转的向心加速度 D．根据狭义相对论原理，在轨飞行的飞船中，航天员的手表变快了 8. （23-24高一下·上海闵行·期末）相对论 随着科技不断发展，越来越多的实验证明了相对论的正确性。（真空中的光速为c）如图，若某车厢以0.9c速度在地面上向右做匀速直线运动，车厢中央有一点光源，车厢内可视为真空。 （1）下列现象中属于狭义相对论效应的是（　　） A．质量不变 B．质量减小 C．时间膨胀 D．时间不变 （2）地面观察者看来，点光源发出的一闪光（　　） A．先到达车厢前壁 B．先到达车厢后壁 C．同时到达车厢前壁和后壁 （3）若该车厢的固有长度为L0，地面观察者测得该车厢的长度为L，则（　　） A．L>L0 B．L<L0 C．L=L0 9．（2024·上海黄浦·一模）学习了广义相对论后，某同学设想通过使空间站围绕过环心并垂直于环面的中心轴旋转，使空间站中的航天员获得“人造重力”解决太空中长期失重的问题。    (1)（多选）广义相对论的基本原理是（    ） A．相对性原理 B．光速不变原理 C．等效原理 D．广义相对性原理 E．质能关系 (2)如图所示，空间站的环状管道外侧壁到转轴的距离为r。航天员（可视为质点）站在外侧壁上随着空间站做匀速圆周运动，为了使其受到与在地球表面时相同大小的支持力，空间站的转速应为 （地面重力加速度大小用g表示）。    第 1 页 共 2 页 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 【目标导航】 2 【思维导图】 2 【教材详解】 2 知识点1：绝对时空观 2 知识点2：相对时空观 3 知识点3：牛顿力学的成就与局限性 4 【经典题型】 5 题型01狭义相对论的两个基本假设 5 题型02时间和空间相对性 6 题型03牛顿力学的成就和局限性 8 【课后巩固】 9 【基础练·强化巩固】 9 【拓展练·培优拔高】 13 课堂目标 关键词 1. 知道爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设。 2. 知道时间延缓效应和长度收缩效应、知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。 3. 知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。 ①时间与时空 ②光速不变 ③时间延缓、长度收缩 ④牛顿力学的适用范围 知识点1：绝对时空观 1. 研究对象的特点 (1)低速运动：运动速度远小于光速。如射出的子弹跟光速相比也属于低速。 (2)宏观物体：肉眼可见的物体就属于宏观物体。 我们通常所接触的物体都是宏观物体，所接触的运动都属于低速运动，牛顿运动定律适用于低速、宏观物体的运动。 2. 绝对时空观——牛顿力学时空观 绝对时空观认为时间和空间是两个独立的概念，彼此之间没有联系。绝对时空观认为时间与空间的度量与惯性参考系的运动状态无关，同一物体在不同惯性参考系中观察到的运动学量是不变的。 3. 惯性系和非惯性系 (1)惯性系：凡是牛顿运动定律成立的参考系称为惯性参考系，简称惯性系。一切相对于惯性系做匀速直线运动或者静止的参考系也是惯性系。 (2)非惯性系：相对于惯性系做加速运动的参考系称为非惯性系。任何一个相对地面具有加速度的物体都可以被当作非性系，牛顿运动定律对非惯性系不成立。 知识点2：相对时空观 1. 相对论时空观产生的背景 (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。 (2)1887年，迈克耳孙一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。 2. 爱因斯坦的假设 (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 3. 时间延缓效成 如果相对于地面以速度v运动的惯性参考系中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，地面上的人观察到该物体完成这个动作的时间间隔为，那么两者间的关系：，由于，所以总有，此种情况称为时间延缓效应。 【点拨】时间延缓效应概念理解 时间延缓效应的核心是：观察某个过程所用的时间时，静止在地面上观察所用时间比在高速运动物体上观察所用时间长。 4. 时间延缓效应 如果与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以速度v相对杆运动的人测得杆长是l，那么两者之间的关系是：，由于，所以总有，此种情况称为长度收缩效应。 【点拨】长度收缩效应的概念理解 （1）长度收缩效应的核心是：测量某物体的长度时，在高速运动物体上所测物体的长度比静止在地面上所测物体的长度短; （2）只要两者有相对速度，观察者都会看到长度收缩效应。 5. 经典力学与相对论的比较 项目 经典力学 相对论 适用范围 低速运动，宏观世界 任何情况都使用 速度的合成 遵守平行四边形法则 不遵守平行四边形法则 速度对质量的影响 质量不变 质量随其速度的增大而变大 速度对时间的影响 无影响 时间延缓效应 速度对长度的影响 无影响 长度收缩效应 联系 以下两种情况，相对论与经典力学的结论没有区别 ①物体的速度远小于光速c(3x108m/s)时; ②普朗克常量(6.63×10-34J·s)可以忽略不计时 知识点3：牛顿力学的成就与局限性 1. 经典力学的发展历程 从亚里士多德的物理学发展到经典力学体系经历了约两千年，其中以哥白尼、开普勒和伽利略等为代表的科学家做出了巨大贡献，牛顿在伽利略、笛卡儿、开普勒，惠更斯等人研究的基础上，进行了一次科学的伟大的综合，形成了一个以实验为基础、以数学为表达形式的力学知识体系 2. 牛顿力学的伟大成就 牛顿运动定律和万有引力定律把天体的运动与地面上物体的运动统一起来，是人类对自然界认识的第一次大综合，从地面上物体的运动到天体的运动，牛顿力学在广阔的领域与实际相符合，显示了牛顿运动定律的正确性和牛顿力学的魅力。 3. 牛顿力学的局限性 (1)牛顿力学的适用范围：只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用宏观物体，不适用微观物体； (2)量子力学：对于高速(接近于光速)运动，遵从相对论力学规律，微观物体(电子、质子、中子、中微子等)遵从量子力学规律。 【拓展】运动：只适用于宏观物体，不适用于微观物体。 题型01狭义相对论的两个基本假设 【典例1】（24-25高三上·上海·期中）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。 【变式1-1】（23-24高一下·河北石家庄·期末）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。 【变式1-2】（23-24高一下·上海闵行·期末）你现在正在完成60分钟的物理考试，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），从理论上看，飞船上的观察者认为你考完这场考试所用时间 60分钟。（填“>”或“<”） 【答案】> 【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。 题型02时间和空间相对性 【典例2】（24-25高一下·陕西西安·阶段练习）若在速度为8km/s的飞船上有一只完好的手表走过了1min，则地面上的人认为它走过这1min钟“实际”上花的时间最接近的是（　　） A．0.5min B．1min C．5min D．10min 【答案】B 【详解】在飞船上观测到的时间是1min，由于相对论相应，则地面上看到的时间 故选B。 【变式2-1】（24-25高二上·上海闵行·期中）2021年10月17日，神舟十三号载人飞船出征太空，并成功与中国空间站组合体完成自主对接、出舱，以及在轨驻留六个月，空间站绕地球一圈约90分钟。驻留期间，航天员进行了“天宫课堂”授课，王亚平抛出一只“冰墩墩”后，“冰墩墩”沿抛出方向近似匀速直线前进。 （1）根据下列器材在地面上使用时的主要功能，航天员在空间站中同样可以正常使用的是（　　） A．单摆演示器 B．弹簧拉力器 C．家用体重秤 D．哑铃 （2）神舟十三号与空间站对接过程中， （选填：A．可以  B．不可以）把神舟十三号看作质点。 （3）“天宫课堂”中，“冰墩墩”近似匀速直线前进，这一过程中“冰墩墩”受到（　　） A．万有引力 B．向心力 C．离心力 （4）空间站绕地球运行的角速度约为 rad/s。（保留2位有效数字）。 （5）空间站的速度 第一宇宙速度（选涂：A．大于B．等于C．小于）；同步地球卫星的周期为 小时。 （6）空间站绕地球运行的轨道半径，约为地球静止卫星绕地球运行的轨道半径的（　　） A． B． C． （7）考虑相对论效应，在高速飞行的空间站里的时钟走过10s，理论上站在地面上的观察者手里的时钟走过的时间（　　） A．大于10s B．小于10s C．等于10s D．都有可能 【答案】（1）B （2）B （3）A （4）1.2×10-3 （5） C 24 （6）C （7）A 【解析】（1）由于空间站中的物体处于完全失重状态，所以单摆演示器、家用体重秤、哑铃均不能正常使用，弹簧拉力器可以正常使用。 故选B。 （2）当物体的大小、形状对所研究的问题没有影响或者影响很小，可以忽略不计时，可将物体看成质点，所以神舟十三号与空间站对接过程中，不能把神舟十三号看作质点。 故选B。 （3）“天宫课堂”中，“冰墩墩”近似匀速直线前进，这一过程中“冰墩墩”受到万有引力。 故选A。 （4）由于空间站绕地球一圈约90分钟，则 （5）[1]由于第一宇宙速度是最大的环绕速度，所以空间站的速度小于第一宇宙速度。 故选C。 [2]同步地球卫星的周期等于地球自转周期，为24小时。 （6）根据开普勒第三定律,所以.故选C。 （7）根据狭义相对论钟慢效应可知，理论上站在地面上的观察者手里的时钟走过的时间大于10s。 故选A。 【变式2-2】（23-24高一下·四川绵阳·期末）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。 题型03牛顿力学的成就和局限性 【典例3】判断下列说法的正误。 (1)相对论和量子力学的出现，说明经典力学已失去意义。( ) (2)原子中电子的运动能用经典力学进行解释。( ) (3)牛顿运动定律适用于低速、宏观的研究领域。( ) (4)相对论与量子力学的出现否定了经典力学。( ) 【答案】(1)错误；(2)错误；(3)正确；(4)错误 【详解】（1）相对论和量子力学的出现，并没有否定经典力学，经典力学是相对论和量子力学在低速、宏观条件下的特殊情形；而相对论和量子力学研究微观、高速条件下的运动，故错误。 （2）原子中电子的运动不能用经典力学进行解释，因为电子的运动具有波粒二象性，且遵循测不准原理，故错误。 （3）牛顿运动定律只适用于低速、宏观的物体，不适用于高速、微观的粒子，故正确。 （4）相对论和量子力学并没有否定经典力学理论，经典力学理论是相对论在低速情况下和量子力学在宏观世界中的特殊情形，故错误。 【变式3-1】关于牛顿力学、狭义相对论和量子力学，下列说法中正确的是（   ） A．狭义相对论和牛顿力学是相互对立的、互不相容的两种理论 B．在物体高速运动时，物体的运动规律遵循狭义相对论，在低速运动时，物体的运动遵循牛顿运动定律 C．牛顿力学适用于宏观物体的运动，量子力学适用于微观粒子的运动 D．不论是宏观物体，还是微观粒子，牛力学和量子力学都是适用的 【答案】BC 【详解】A．经典力学是狭义相对论在低速（v≪c）条件下的近似，即只要速度远远小于光速，经过数学变换狭义相对论的公式就全部变化为牛顿经典力学的公式，故A错误； B．在物体高速运动时，物体的运动规律服从狭义相对论理论，在低速运动时，物体的运动服从牛顿定律，故B正确； CD．牛顿运动定律只适用于宏观、低速、弱引力场，不适用于微观、高速、强引力场；量子力学就是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，不适用于宏观物体，故C正确，D错误。 故选BC。 【变式3-2】（多选）（24-25高二上·浙江杭州·期末）下列说法正确的是（    ） A．在研究高速（接近光速），微观（小到分子，原子的尺度）领域，牛顿运动定律不再适用，动量守恒定律也不再适用 B．高压输电线上方两条接地导线的作用是把高压线屏蔽起来，防止雷击 C．核电站是利用可控核裂变来发电的 D．根据相对论的时空观，运动物体的长度（空间距离）和物理过程的快慢（时间进程）跟物体的运动状态无关 【答案】BC 【详解】A．在研究高速（接近光速），微观（小到分子，原子的尺度）领域，牛顿运动定律不再适用，但是动量守恒定律仍然适用，选项A错误； B．高压输电线上方两条接地导线的作用是把高压线屏蔽起来，形成一个稀疏的金属网，可把高压线屏蔽起来，防止雷击，选项B正确； C．核电站是利用可控核裂变来发电的，选项C正确； D．根据相对论的时空观，运动物体的长度（空间距离）和物理过程的快慢（时间进程）跟物体的运动状态有关，选项D错误。 故选BC。 【基础练·强化巩固】 1．（23-24高一下·广东深圳·期中）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．（23-24高一下·陕西西安·阶段练习）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。 3．（23-24高一下·上海·期末）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。 4．（2024高一下·全国·专题练习）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。 5．（21-22高一下·全国·单元测试）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。 6．（2021高一·全国·专题练习）一个电子运动的速度，此时它的质量测量值与静质量相比（　　） A．变大 B．变小 C．相等 D．无法确定 【答案】A 【详解】物体质量随速度的增加而增大，当速度接近光速时，质量趋于无穷大，可知一个电子运动的速度，此时它的质量测量值与静质量相比变大。 故选A。 7．（20-21高一下·江苏徐州·期末）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 【答案】C 【详解】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，选项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，选项C正确。 D．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，选项D错误； 故选C。 8．（22-23高一下·新疆伊犁·期末）物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识，推动了科学技术的创新和革命，促进了人类文明的进步，下列关于物理学家的贡献正确的是（    ） A．开普勒发现了万有引力定律 B．牛顿测出了万有引力常量 C．爱因斯坦创立了狭义相对论 D．卡文迪什测出了静电力常量 【答案】C 【详解】A．牛顿发现了万有引力定律，选项A错误；     B．卡文迪许测出了万有引力常量，选项B错误； C．爱因斯坦创立了狭义相对论，选项C正确；     D．卡文迪什测出了万有引力常量，选项D错误。 故选C。 9．（23-24高一下·陕西西安·阶段练习）狭义相对论中，除了时间延缓效应，长度收缩效应，还有一个“质量增加效应”，狭义相对论的质量公式为：，其中为物体静止时的质量，m为高速运动时的质量，一枚静止时重30吨的火箭，现在以光速的的速度从观察者的身边掠过，观察者用某高科技仪器测出的火箭的质量为（    ） A．30吨 B．40吨 C．50吨 D．60吨 【答案】C 【详解】一枚静止时重30吨的火箭，现在以光速的的速度从观察者的身边掠过，观察者用某高科技仪器测出的火箭的质量为 故选C。 10．（23-24高一·全国·课堂例题）（1）如图甲，飞机匀速飞行，封闭机舱中的人能用抛球的力学实验判断飞机相对于地面的速度吗？地面参考系和飞机参考系的力学规律相同吗？ （2）如图乙所示，火车以0.9倍的光速（即v=0.9c）行驶，一个人相对火车用手电筒向前进方向上照射，在地面上观察，这束光的速度是多少？ 【答案】（1）不能，相同；（2） 【详解】（1）假设人在飞机内竖直上抛小球，小球的运动遵从牛顿运动定律，若以飞机为参考系该实验不能判断飞机相对于地面的速度。不论在哪个参考系中，小球都在重力的作用下，遵从牛顿第二定律做抛体运动，在飞机参考系中，小球做竖直上抛运动，在地面参考系，则小球做斜抛运动，运动轨迹的描述不同是因为各参考系间的相对速度，但力学规律在两个参考系中是相同的。 （2）在不同的参考系中，光的速度都是一样的，所以图乙这束光的速度仍是。 11．（22-23高一下·全国·单元测试）地面上长100km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30km/s的速度掠过，则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少？如果火箭的速度达到0.6c，则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少？ 【答案】100km，80km 【详解】当火箭速度较低时，长度基本不变，还是100 km。当火箭的速度达到0.6c时，由相对论长度公式有，代入相应的数据解得l=80km 【拓展练·培优拔高】 1．（24-25高一上·浙江宁波·阶段练习）根据气体吸收谱线的红移现象推算，有的类星体远离我们的速度竟达光速c的80%，即每秒24万千米。下列结论正确的是(　　) A．在类星体上测得它发出的光的速度是(1+80%)c B．在地球上接收到它发出的光的速度是(1-80%)c C．在类星体上测得它发出的光的速度是c D．在地球上测得它发出的光的速度是0.8c 【答案】C 【详解】根据爱因斯坦相对论的光速不变原理得：在一切惯性参考系中，测量到的真空的光速c都一样。在一切惯性系中观测到的真空中传播的同一束光，不论沿任何方向，其速度大小都为c，与光源或观察者的运动无关。所以在类星体上测得它发出的光的速度是c，在地球上测得它发出的光的速度是c，C正确，ABD错误． 故选C。 2．（24-25高二上·上海·开学考试）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。 3．相对于地球的速度为v的一飞船，要到离地球为5光年的星球上去。若飞船的宇航员测得该旅程为3光年，则v应为（　　） A． B． C． D． 【答案】D 【详解】根据距离的相对性公式，有，则有 代入数据有，解得 故选D。 4．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。 5．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。 6．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。 7．（2024·广东汕头·二模）神舟十七号载人飞船与距离地面约的天宫空间站成功对接。变轨过程可简化为如图：飞船先从圆形轨道Ⅰ的A位置变轨到椭圆轨道Ⅱ，再从B位置变轨进入空间站所在的圆形轨道Ⅲ。假设空间站轨道半径为r，地球半径为R，地球表面的重力加速度为g。下列说法正确的是（　　） A．空间站内的航天员处于“悬浮”状态是因为他所受到合外力为零 B．飞船沿椭圆轨道Ⅱ由A点到B点的时间为 C．空间站的向心加速度大于赤道上的物体随地球自转的向心加速度 D．根据狭义相对论原理，在轨飞行的飞船中，航天员的手表变快了 【答案】C 【详解】A．空间站内的航天员处于“悬浮”状态是因为他处于完全失重状态，其自身所受重力充当其随空间站一起环绕地球做圆周运动的向心力，故A错误； B．若飞船从A到B做圆周运动，且轨道半径为，则由万有引力从当向心力有，解得 而在地球表面有，解得 由此可得 则从A到B的时间为 但由于飞船从A到B并非做匀速圆周运动，而是椭圆运动，因此要求椭圆运动的周期必须用开普勒第三定律，且必须知道飞船做椭圆运动的半长轴，由此可知，飞船沿椭圆轨道Ⅱ由A点到B点的时间并非为，故B错误； C．静止卫星与赤道上物体的角速度相同，根据圆周运动的相关知识可知，向心加速度 由于静止卫星做圆周运动的半径大于赤道上物体做圆周运动的半径，因此静止卫星的向心加速度大于赤道上物体的向心加速度，而对于环绕中心天体做圆周运动的物体，由万有引力充当向心力，可得物体环绕中心天体做圆周运动的向心加速度 可知，轨道半径越大，向心加速度越小，而静止卫星的轨道半径大于空间站的轨道半径，因此静止卫星的向心加速度小于空间站的向心加速度，由此可知，空间站的向心加速度大于赤道上的物体随地球自转的向心加速度，故C正确； D．根据狭义相对论原理，在轨飞行的飞船中，航天员的手表变慢了，故D错误。 故选C。 8. （23-24高一下·上海闵行·期末）相对论 随着科技不断发展，越来越多的实验证明了相对论的正确性。（真空中的光速为c）如图，若某车厢以0.9c速度在地面上向右做匀速直线运动，车厢中央有一点光源，车厢内可视为真空。 （1）下列现象中属于狭义相对论效应的是（　　） A．质量不变 B．质量减小 C．时间膨胀 D．时间不变 （2）地面观察者看来，点光源发出的一闪光（　　） A．先到达车厢前壁 B．先到达车厢后壁 C．同时到达车厢前壁和后壁 （3）若该车厢的固有长度为L0，地面观察者测得该车厢的长度为L，则（　　） A．L>L0 B．L<L0 C．L=L0 【答案】（1）．C （2）B （3）B 【解析】（1）狭义相对论效应包括钟慢效应、质增效应和尺缩效应。 故选C。 （2）对于地面上的观察者来说，以地面为参考系，因闪光向前、后传播的速率对地面也是相同的，在闪光飞向两璧的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些，他观测到的结果应该是：闪光先到达后壁，后到达前壁。 故选B。 （3）地面观察者测得该车厢的长度为 故选B。 9．（2024·上海黄浦·一模）学习了广义相对论后，某同学设想通过使空间站围绕过环心并垂直于环面的中心轴旋转，使空间站中的航天员获得“人造重力”解决太空中长期失重的问题。    (1)（多选）广义相对论的基本原理是（    ） A．相对性原理 B．光速不变原理 C．等效原理 D．广义相对性原理 E．质能关系 (2)如图所示，空间站的环状管道外侧壁到转轴的距离为r。航天员（可视为质点）站在外侧壁上随着空间站做匀速圆周运动，为了使其受到与在地球表面时相同大小的支持力，空间站的转速应为 （地面重力加速度大小用g表示）。    【答案】(1)CD；(2) 【详解】（1）广义相对论的基本原理是广义相对性原理、质能关系。 故选CD。 （2）当航天员随空间站一起自转且加速度为时，可以使其受到与在地球表面时相同大小的支持力，即有 环形管道侧壁对航天员的支持力提供航天员绕轴匀速转动的向心力，有，得 所以空间站的转速应为 第 1 页 共 2 页 学科网（北京）股份有限公司 $$