7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性（高效培优讲义）物理人教版必修第二册

7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 【题型导航】 【重难题型讲解】 1 题型1 相对论时空观 1 题型2 牛顿力学的局限性 6 题型3 宇宙起源与恒星的演化 8 【能力培优练】 11 【重难题型讲解】 题型1 1、狭义相对论的两个基本假设 （1）狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。 （2）光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。  2、“同时”的相对性：同时是相对的，与参考系的运动有关。 ★特别提醒 解决“同时”的相对性问题，可从三个方面入手： ①令观察者静止，判断被观察者因相对运动而引起的位置变化。 ②结合光速不变原理，分析光传播到两个事件所用的时间。 ③光先传播到的事件先发生，光后传播到的事件后发生。 3、钟慢效应（时间间隔的相对性）： （1）一般来说，在一个相对我们做高速运动的惯性系中发生的物理过程，在我们看来，他所经历的时间比在这个惯性系中直接观察到的时间长。惯性系的速度越大，我们观察到的过程所经历的时间也就越长。对于化学反应、生命过程等，这一结论也是正确的。这就是时间延缓效应，又叫做钟慢效应。 （2）钟慢效应的计算公式（时间间隔的相对性）：。 ★特别提醒 解决时间间隔的相对性应注意： （1）“动钟变慢”是两个不同惯性系进行时间比较的一种效应，不要认为是时钟的结构或精度因运动而发生了变化。 （2）运动时钟变慢完全是相对的，在它们上面的观察者都将发现对方的钟变慢了。 4、尺缩效应（长度的相对性） （1）尺缩效应产生原因：尺缩效应，又称长度收缩效应，是相对论性效应之一。它产生的原因是由于同时性的相对性。在狭义相对论中，两个事件从一个参考系来看是同时的，但从另一个相对运动的参考系来看则不再是同时的。这种对牛顿绝对时空观的破坏导致了尺缩效应的出现。具体来说，当测量一根沿其方向作匀速直线运动的杆子的长度时，必须同时记下它两端的空间位置，而这两个空间位置之间的距离就定义为运动杆子的长度。狭义相对论预言，沿杆子方向运动的杆子的长度会比它静止时的长度短。 （2）尺缩效应实验验证方法：虽然直接验证尺缩效应的实验在宏观尺度上难以实现，但可以通过一些间接的实验来支持这一理论。例如，Rossi and Hall（1941）进行的μ子实验，他们比较了位于山顶和位于海平面的由宇宙射线制造出的μ子数量。尽管μ子从山顶到地面所需的时间已经是几个半衰期，但在海面的μ子数量却只是少了一点。这是由于μ子相对于测试者以高速运动，导致了可观的时间膨胀效应（与尺缩效应相关的一种现象），从而间接支持了尺缩效应的存在。 （3）尺缩效应的应用实例：尺缩效应作为相对论的一个重要效应，其理论意义远大于实际应用。然而，它对于理解高速运动物体的物理行为以及时空的相对性具有重要意义。在理论物理、天体物理以及粒子物理等领域，尺缩效应都是不可或缺的概念。例如，在粒子加速器中，当粒子接近光速运动时，其长度的收缩效应需要考虑在内，以确保实验结果的准确性。 （4）尺缩效应的计算公式（长度的相对性）：。 ★特别提醒 解决长度的相对性问题应当注意： （1）“动尺缩短”是沿运动方向上的长度比其相对静止时测量的长度要短一些，这种长度收缩并非幻觉，并非看上去短了，它的确变短了，它与物体的具体组成和结构无关，当物体运动的速度越接近光速时，这种收缩效应就变得越显著。 （2）在具体计算中要明确，长度收缩指的是只在物体运动方向上的长度收缩，在垂直于运动方向上的长度没有变化。 5、相对论速度的变换公式 以高速火车为例，设车对地面的速度为v，车上的人以速度u'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为如果车上人的运动方向与火车的运动方向相反，则u'取负值。当这两个速度的方向垂直或成其他角度时，情况比较复杂，上式不适用，我们不讨论这种情况。 按照经典的时空观，u=u'+v。而从上式来看，实际上人对地面的速度u比u'与v之和要小，不过只有在u'和u的大小可以与c相比时才会观察到这个差别。 ★特别提醒 当物体的速度比较大时（接近光速），经典力学中计算相对速度的方法就不再适用，要用到相对论速度变换公式进行求解。 6、相对论质量 按照牛顿力学，物体的质量是不变的，因此一定的力作用在物体上，产生的加速度也是一定的，这样，经过足够长的时间以后物体就会达到任意的速度。 但是相对论的速度叠加公式表明，物体的运动速度不能无限增加，这个矛盾启发我们思考：物体的质量是否随物体速度的增加而增大？ 严格的论证证实了这一点，实际上，物体以速度v运动时的质量m与静止时的质量m0之间有如下关系： 。 由于物体的速度c不可能达到光速，所以总有v＜c，1-＜1；所以物体运动时的质量m总是大于静止时的质量m0。这个方程叫做质增方程。 ★特别提醒 （1）根据相对论质量公式可以计算出物体在高速运动情况下的质量。 （2）根据爱因斯坦质能方程计算物体的能量，物体运动时的能量减去静止时的能量就是物体获得的动能。 7、广义相对相对性原理和等效原理 （1）广义相对性原理：在任何参考系中物理规律都是相同的。 （2）等效原理：一个均匀引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。 8、广义相对论的几个结论 （1）物质的引力使线弯曲。 （2）引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别。与这一结论相关的现象是引力红移。 【探究归纳】相对论时空观打破绝对时空，认为时间、空间与物体运动相关，存在尺缩、钟慢效应且光速在惯性系中不变。 【典例1-1】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。 【典例1-2】（多选）如图所示，地面上、两处的中点处有一点光源，甲观察者站在光源旁，乙观察者乘坐速度为（接近光速）的火箭沿方向飞行，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，乙测得的光速为 B．甲认为飞船中的钟变慢了，乙认为甲身边的钟变快了 C．甲测得的间的距离大于乙测得的间的距离 D．当光源发生一次闪光后，甲认为、两处同时接收到闪光，乙则认为先接收到闪光 【答案】CD 【详解】A．根据爱因斯坦的光速不变原理，可知甲乙在两种不同的参考系里测出的光速都为c，故D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，钟走的越慢，接近光速时，钟就几乎停止了；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正确； 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CD。 跟踪训练1A、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。 跟踪训练2（多选）接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相同的铯原子钟，飞船和地球上的人观测这两只钟的快慢，下列说法正确的有（    ） A．飞船上的人观测到飞船上的钟较快 B．飞船上的人观测到飞船上的钟较慢 C．地球上的人观测到地球上的钟较快 D．地球上的人观测到地球上的钟较慢 【答案】AC 【详解】AB．根据时间延缓效应可知运动的钟会变慢，由于飞船上的人观测飞船上的钟是静止的，观测到地球上的钟是运动的，因此飞船上的人观测到地球上的钟变慢，即飞船上的钟相对于地面上的钟快，故A正确、B错误； CD．同理，地球上的人观测到飞船上的钟是运动的，观测到地球上的钟是静止的，因此地球上的人观测到飞船上的钟变慢，即地球上的钟比飞船上的钟快，故C正确、D错误。 故选AC。 题型2 1、牛顿力学的成就：从地面上物体的运动到天体的运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动，从投出篮球到发射导弹、人造地球卫星、宇宙飞船……所有这些都服从牛顿力学的规律。 2、牛顿力学的局限性：牛顿力学对于高速运动的物体和电子、质子、中子等微观粒子是不适用的。 （1）量子力学的建立能够很好地描述宏观低速运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用。 （2）相对论与量子力学都没有否定过去的科学，而只认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形。 3、经典力学与相对论、量子力学的比较 项目 经典力学 相对论、量子力学 形成时期 物理学形成的初期阶段，受历史发展限制，理论较肤浅、片面 形成于物理学充分发展的现代，理论较完善、科学 适用范围 低速运动、宏观世界 任何情况都适用 速度的合成 时间与空间互不相干，关系式v船岸=v船水十v水岸成立 速度与位移、时间的测量有关，v船岸=v船水十v水岸不成立 联系 （1）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(3×108m/s)时。 ②普朗克常量(6.63X10~34J·s)可以忽略不计时。 （2）相对论和量子力学都没有否定经典力学，经典力学是相对论、量子力学的特殊情况。 【探究归纳】牛顿力学仅适用于宏观、低速、弱引力的运动场景，在微观、高速或强引力条件下不再成立，需相对论和量子力学补充。 【典例2-1】1687年，牛顿的《自然哲学的数学原理》的出版，意味着建立了完整的经典力学体系。关于经典力学的适用范围，可以总结为（　　） A．宏观、高速运动的物体 B．宏观、低速运动的物体 C．微观、低速运动的物体 D．微观、高速运动的物体 【答案】B 【详解】A．经典力学不适用于高速（接近光速）运动的物体，此时需用相对论，故A错误； B．经典力学适用于宏观物体的低速运动，故B正确； C．微观领域需用量子力学，即使低速也不适用经典力学，故C错误； D．微观和高速均超出经典力学范围，故D错误。 故选B。 【典例2-2】（多选）历史上很多科学家通过大量曲折而又闪烁智慧的探索，发现了很多重要的物理定律，建立了很多物理学说。下列叙述符合史实的是（　　） A．牛顿将行星与太阳、地球与月球、地球与地面物体之间的引力规律推广到宇宙中的一切物体，得出了万有引力定律 B．卡文迪什首次在实验室中比较准确地测出了引力常量的数值 C．根据天王星的观测资料，哈雷利用万有引力定律计算出了海王星的轨道 D．爱因斯坦的相对论改变了经典时空观，指出了牛顿力学的局限性，相对论的创立表明经典力学已不再适用 【答案】AB 【详解】A．牛顿将行星与太阳、地球与月球、地球与地面物体之间的引力规律推广到宇宙中的一切物体，得出了万有引力定律，故A正确， B．卡文迪什首次在实验室中比较准确地得出了引力常量G的数值，故B正确， C．海王星是英国人亚当斯和法国人勒威耶根据万有引力推测出海王星的轨道和位置，柏林天文台年轻的天文学家伽勒和他的助手根据勒威耶计算出海王星的位置，故C错误； D．爱因斯坦的相对论改变了经典时空观，指出了牛顿力学的局限性，经典力学在宏观低速范围内符合的较好，并不是不再适用，故D错误。 故选AB。 跟踪训练1下列运动不能用牛顿力学描述的是（　　） A．电子以接近光速的速度运动 B．火箭携带卫星飞向太空 C．飞机从跑道上起飞 D．高铁列车从广州向北京飞驰 【答案】A 【详解】A．电子是微观粒子且速度接近光速，需考虑相对论效应，牛顿力学不适用，故A正确； B．火箭属于宏观物体且速度远低于光速，可用牛顿力学描述，故B错误； C．飞机是宏观物体且速度较低，牛顿力学适用，故C错误； D．高铁是宏观低速运动，牛顿力学完全适用，故D错误。 故选A。 跟踪训练2（多选）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。 题型3 1、宇宙起源（宇宙大爆炸理论） （1）宇宙大爆炸理论是目前广泛接受的宇宙起源理论，它表明宇宙起源于一个极度热密的初始状态，然后经历了急剧膨胀。 （2）这一理论解释了宇宙中各种天体的分布、宇宙背景辐射以及宇宙的演化历史。 （3）它是由比利时天文学家乔治•勒梅特和美国天文学家埃德温•哈勃等人提出的。 2、恒星的演化 （1）恒星初级阶段：由星云向外辐射能量，所形成的的反向推力聚集而成，类似于水的冷凝。 （2）恒星阶段：当初始星云，具备了向内运动的动力，并且聚集之后，突破星云物质分子、原子，释放大量热能的同时释放出十分巨大的空间。 （3）恒星衰老之后的演变取决于恒星的质量：当质量足够大能够压破原子核，就能形成中子星；大到能够压迫中子就可能形成所谓的黑洞；当然恒星质量不足，最终无法进入下一个阶段，只能衰变为白矮星。 ★特别提醒 宇宙的起源与恒星的演化是物理学习过程中积累的知识，这要求学生对课外的知识有一定程度的了解和积累。 【探究归纳】宇宙源于大爆炸的膨胀演化，恒星则依质量从星云诞生，经主序星、红巨星等阶段最终演化为白矮星、中子星或黑洞。 【典例3-1】有关恒星，下列说法中正确的是（　　） A．一颗恒星的寿命取决于它的形状 B．质量大的恒星可用以燃烧的核燃料较多，因此它们的寿命比较长 C．当恒星步入“老年时期”，恒星的核心将开始收缩，而其外层部分则开始膨胀就会成为一颗红色的巨星或超巨星 D．巨星和超巨星可能爆炸成为超大巨星 【答案】C 【详解】A．恒星的寿命取决于质量而非形状，质量越大寿命越短，故A错误； B．质量大的恒星核反应剧烈，燃料消耗更快，寿命更短，故B错误； C．老年恒星核心收缩、外层膨胀形成红巨星或超巨星，符合恒星演化规律，故C正确； D．巨星和超巨星爆炸形成的是超新星，而非“超大巨星”，故D错误。 故选C。 【典例3-2】（多选）2017年6月，我国发射了宇宙探测卫星“慧眼”．卫星携带的硬X射线调制望远镜（Hard X-ray Modulation Telescope，简称HXMT）在离地550公里的轨道上观察遥远天体发出的X射线，为宇宙起源研究提供了新的证据．则“慧眼”的 A．角速度小于地球自转角速度 B．线速度小于第一宇宙速度 C．周期大于静止卫星的周期 D．向心加速度小于地面的重力加速度 【答案】BD 【详解】A：据，可得，“慧眼”的轨道半径小于地球静止卫星的轨道半径，则“慧眼”的角速度大于地球自转角速度．故A项错误． B：据，可得，“慧眼”的轨道半径大于地球的半径，则“慧眼”的线速度小于第一宇宙速度．故B项正确． C：据，可得，“慧眼”的轨道半径小于地球静止卫星的轨道半径，则周期小于静止卫星的周期．故C项错误． D：据，可得；在地球表面有；“慧眼”的轨道半径大于地球的半径，则“慧眼”的向心加速度小于地面的重力加速度．故D项正确． 综上，答案为BD． 跟踪训练1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。 跟踪训练2（多选）宇宙中两颗靠得比较近且质量相差不大的星体，只受到彼此之间的万有引力而互相绕转，称为双星系统。设某双星系统中的A、B两星球绕其连线上的O点做匀速圆周运动，如图所示。若AO>OB，则（　　） A．星球A的角速度一定大于星球B的角速度 B．星球A的质量一定小于星球B的质量 C．若双星间距离一定，双星的总质量越大，其转动周期越大 D．若双星的质量一定，双星之间的距离越大，其转动周期越大 【答案】BD 【详解】A．双星靠相互间的万有引力提供向心力，具有相同的角速度，故A错误； B．根据万有引力提供向心力得 ＝m1ω2r1＝m2ω2r2 因为AO>OB，即r1>r2，所以m1<m2，即星球A的质量一定小于星球B的质量，故B正确； CD．根据万有引力提供向心力有 ＝m1（）2r1＝m2（）2r2 得周期 T＝2π 由此可知双星间距离一定，双星的总质量越大，其转动周期越小；双星的质量一定，双星之间的距离越大，其转动周期越大，故C错误，D正确； 故选BD。 【能力培优练】 1．设想人类利用飞船以0.2c的速度进行星际航行，若飞船向正前方的某星球发射一束激光，则该星球上的观察者测量到激光的速度应该是（    ） A． B． C． D． 【答案】C 【详解】根据狭义相对论的光速不变原理，真空中的光速在所有惯性参考系中都是恒定值，与光源或观察者的运动状态无关。飞船以的速度运动时，其发出的激光在飞船参考系中的速度为。对于星球上的观察者，无论通过相对论速度叠加公式计算（结果为），还是直接依据光速不变原理，测得的光速仍为。 故选C。 2．下列物体的运动不能用牛顿力学描述的是（　　） A．飞机的飞行 B．人造卫星的运行 C．小汽车的行驶 D．光子的运动 【答案】D 【详解】A．飞机的飞行属于宏观低速运动，牛顿力学适用，故A错误； B．人造卫星的运行速度虽快，但远低于光速，仍可用牛顿力学近似描述，故B错误； C．小汽车的行驶是典型的宏观低速运动，牛顿力学完全适用，故C错误； D．光子是微观粒子且以光速运动，需用量子力学和相对论描述，牛顿力学无法适用，故D正确。 故选D。 3．下列有关相对论时空观和牛顿力学的说法中不正确（　　） A．相对论没有否定牛顿力学，只是认为牛顿力学是在一定条件下的特殊情形 B．真空中光速在不同的惯性参考系中是不相同的 C．牛顿力学有自身的局限性，不适用于微观领域 D．当物体的运动速度远小于光速c时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别 【答案】B 【详解】A.相对论没有否定牛顿力学，只是认为牛顿力学是在一定条件下的特殊情形，故A正确； B.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，相对论和牛顿力学的结论没有区别，故D正确。 本题选不正确的，故选B。 4．下列说法中正确的是（　　） A．牛顿首先把实验和逻辑推理结合起来，开创了一套新的科学研究方法 B．平均速度、瞬时速度、加速度的概念是由伽利略首先提出来的 C．胡克首先发现了弹簧的弹力和形变量成反比 D．以加速运动的物体为参考系，牛顿第一定律依然成立 【答案】B 【详解】A．伽利略首次将实验与逻辑推理结合，开创科学研究新方法，而非牛顿，故A错误； B．伽利略在研究匀变速运动时，提出了平均速度、瞬时速度及加速度的概念，故B正确； C．胡克定律表明弹簧弹力与形变量成正比（），而非成反比，故C错误； D．牛顿第一定律仅在惯性参考系中成立，加速运动的参考系是非惯性系，定律不成立，故D错误。 故选B。 5．下列说法中正确的是（　　） A．第谷设计扭秤实验装置，借助实验放大法，比较准确地测出了引力常量 B．根据得，可知引力常量与、、、有关 C．牛顿经典力学适用于宏观、高速运动 D．“月一地检验”可以证实万有引力定律的正确性 【答案】D 【详解】A．卡文迪什设计扭秤实验装置，借助实验放大法，比较准确地测出了引力常量，故A错误； B．引力常量与、、、无关，故B错误； C．牛顿经典力学适用于宏观、低速运动，故C错误； D．“月一地检验”可以证实万有引力定律的正确性，故D正确。 故选D。 6．物理学的发展推动了社会进步。在物理学发展的过程中许多科学家做出了重要的贡献，下列说法中符合物理史实的是（　　） A．伽利略通过“冲淡重力”的方法完成了理想斜面实验 B．卡文迪什利用扭秤实验测定引力常量主要运用了理想化模型的思想 C．爱因斯坦的相对论否定了牛顿力学理论，成功解决了宏观物体的高速运动问题 D．科学家通过万有引力定律计算预言了海王星的存在，后来被证实，因此海王星被称为“笔尖下发现的行星” 【答案】D 【详解】A．伽利略利用冲淡重力的思想探究自由落体运动的特点，理想斜面实验结合合理外推是为了验证力不是维持物体运动的原因，故A错误； B．卡文迪什利用扭秤实验测定引力常量主要运用了微小量放大法，故B错误； C．爱因斯坦的相对论发展了牛顿力学理论，推动物理学发展到一个新高度，成功解决了宏观物体的高速运动问题，故C错误； D．科学家通过万有引力定律计算预言了海王星的存在，后来被证实，因此海王星被称为“笔尖下发现的行星”，故D正确。 故选D。 7．牛顿创立了经典力学，揭示了包括行星在内的宏观物体的运动规律；爱因斯坦进一步发展了经典力学，创立了相对论.关于相对论时空观与牛顿力学的局限性，下列说法正确的是（　　） A．相对论时空观认为在某参考系中同时发生的两件事在另一参考系中也是同时的 B．牛顿经典力学能够很好地描述微观粒子运动的规律 C．牛顿运动定律不适用于以第二宇宙速度运动的宇宙飞船 D．相对论时空观认为运动的时钟会变慢，运动的尺子会变短 【答案】D 【详解】A．相对论时空观认为在某参考系中同时发生的两件事在另一参考系中不一定是同时的，故A错误； B．牛顿经典力学能够很好地描述宏观物体的运动规律，但不能描述微观粒子运动的规律，故B错误； C．牛顿运动定律适用于宏观、低速运动的物体，故适用于以第二宇宙速度运动的宇宙飞船，故C错误； D．相对论时空观认为运动的时钟会变慢，运动的尺子会变短，故D正确。 故选D。 8．经典力学是以牛顿的三大定律为基础的，相对论是现代物理学的基础，关于相对论时空观与牛顿力学的局限性，下列说法正确的是（　　） A．运动的时钟会变快，运动的尺子会变长 B．在某参考系中同时发生的两件事，在另一参考系看来不一定是同时的 C．牛顿运动定律是普适定律，既适用于宏观物体也适用于微观物体 D．地球以30000m/s的速度绕太阳公转时，经典力学就不适用了 【答案】B 【详解】A．根据钟慢效应，相对论时空观认为运动的时钟会变慢，根据尺缩效应，相对论时空观认为运动的尺子会变短，故A错误； B．相对论时空观认为在某参考系中同时发生的两件事，在另一参考系看来不一定是同时的，故B正确； C．由经典力学的局限性可知，牛顿运动定律不适用于接近光速的物体和微观物体，适用于低速运动的宏观物体，故C错误； D．30000m/s相对于光速，属于低速，所以地球以30000m/s的速度绕太阳公转时，经典力学仍适用，故D错误。 故选B。 9．关于牛顿经典力学与相对论，下列说法中正确的是（    ） A．相对论彻底否定了牛顿力学 B．在相对论中，运动的钟比静止的钟慢 C．牛顿力学能应用于接近光速运动的问题 D．牛顿力学能应用于分子、原子和原子核等的微观领域 【答案】B 【详解】A．相对论没有否定牛顿力学,是对牛顿力学的补充，故A错误； B．在相对论中，运动的钟比静止的钟慢，故B正确； CD．牛顿力学适用于宏观低速运动的物体，对微观高速运动的粒子不适用，故CD错误。 故选B。 10．如图所示，在未来某年A乘坐速度为0.8c（c为光速）的宇宙飞船追赶正前方的B，B的飞行速度为0.6c，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．0.8c C．1.0c D．1.4c 【答案】C 【详解】根据爱因斯坦的相对论，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相对运动而改变。所以B观测到该光束的传播速度为。 故选C。 11．（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 【答案】BC 【详解】A．牛顿力学理论只适用于宏观、低速运动的物体，A错误； B．牛顿力学只在一定条件下适用，具有一定局限性，B正确； C．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； D．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。 故选BC。 12．（多选）在物理学发展历史中，许多物理学家做出了卓越贡献。以下关于物理学家所作科学贡献的叙述中，正确的是（　　） A．爱因斯坦在其相对论中指出，时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的 B．胡克等人认为行星所受太阳的引力大小跟行星到太阳距离的二次方成反比。 C．牛顿对引力常量G进行准确测定，并于1687年发表在其传世之作《自然哲学的数学原理》中 D．卡文迪许进行了月-地检验，得出天上和地表的物体间的引力作用都遵从万有引力定律 【答案】AB 【详解】A．爱因斯坦在其相对论中指出，时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的，即绝对时空观。故A正确； B．胡克等人认为行星所受太阳的引力大小跟行星到太阳距离的二次方成反比。故B正确； C．牛顿发现了万有引力定律，并于1687年发表在其传世之作《自然哲学的数学原理》中。故C错误； D．牛顿进行了月-地检验，得出天上和地表的物体间的引力作用都遵从万有引力定律。故D错误。 故选AB。 13．（多选）下列表述符合物理史实的是（    ） A．开普勒通过分析第谷的天文观测数据，提出了“日心说”，并发现了万有引力定律 B．卡文迪什通过实验推算出引力常量G的值，被誉为第一个能“称量地球质量”的人 C．牛顿通过“月—地检验”发现地面物体所受地球的引力、月球所受地球的引力都遵从相同的规律 D．牛顿力学取得了巨大成就，适用于一切领域 【答案】BC 【详解】A．哥白尼提出了“日心说”观点；开普勒通过分析第谷的天文观测数据，总结出了行星运动的三大定律；牛顿发现了万有引力定律，故A错误； B．卡文迪什通过实验推算出了引力常量G的值，被誉为第一个能“称量地球质量”的人，故B正确； C．牛顿通过“月—地检验”发现地面物体所受地球的引力、月球所受地球的引力都遵从相同的规律，故C正确； D．牛顿力学取得了巨大的成就，适用于宏观、低速的运动物体，故D错误。 故选BC。 14．（多选）下列说法中正确的是（　　） A．坐在高速离开地球的火箭里的人认为地球上的人新陈代谢变慢了 B．雷达利用超声波来测定物体的距离和方位 C．普通光源发出的光通过双缝会产生干涉现象 D．电子表的液晶显示应用了光的偏振原理 【答案】AD 【详解】A．根据相对论原理知，坐在高速离开地球的火箭里的人认为地球上的时间间隔变长，人的新陈代谢变慢了，故A正确； B．雷达利用电磁波来测定物体额定距离和方位，故B错误； C．发生干涉的两列波频率需相同，普通光源发出的光的频率不同，不能产生干涉现象，故C错误； D．电子表的液晶显示应用了光的偏振原理，故D正确。 故选AD。 15．（多选）如图是“嫦娥三号”飞行轨道示意图。假设“嫦娥三号”运行经过P点第一次通过近月制动使“嫦娥三号”在距离月面高度为100 km的圆形轨道Ⅰ上运动，再次经过P点时第二次通过近月制动使“嫦娥三号”在距离月面近地点为Q、高度为15 km，远地点为P、高度为100 km的椭圆轨道Ⅱ上运动，下列说法正确的是（　　） A．“嫦娥三号”在距离月面高度为100 km的圆轨道Ⅰ上运动时速度大小可能变化 B．“嫦娥三号”在距离月面高度为100 km的圆轨道Ⅰ上运动的周期一定大于在椭圆轨道Ⅱ上运动的周期 C．“嫦娥三号”在椭圆轨道Ⅱ上运动经过Q点时的加速度一定大于经过P点时的加速度 D．“嫦娥三号”在椭圆轨道Ⅱ上运动经过Q点时的速率可能小于经过P点时的速率 【答案】BC 【详解】A．“嫦娥三号”在距离月面高度为100 km的圆轨道Ⅰ上的运动是匀速圆周运动，速度大小不变 故A错误； B．由于圆轨道Ⅰ的轨道半径大于椭圆轨道Ⅱ的半长轴，根据开普勒第三定律，“嫦娥三号”在距离月面高度为100 km的圆轨道Ⅰ上运动的周期一定大于在椭圆轨道Ⅱ上运动的周期 故B正确； C．由于在Q点“嫦娥三号”所受的万有引力比在P点大，所以“嫦娥三号”在椭圆轨道Ⅱ上运动经过Q点时的加速度一定大于经过P点时的加速度 故C正确； D．根据开普勒第二定律可知，“嫦娥三号”在椭圆轨道Ⅱ上运动经过Q点时的速率一定大于经过P点时的速率 故D错误。 故选BC。 16．（多选）地球位于太阳和行星之间且三者几乎排成一条直线的现象，天文学上称为“行星冲日”。火星与地球几乎在同一平面内沿同一方向绕太阳近似做匀速圆周运动。不考虑火星与地球的自转，且假设火星和地球的轨道平面在同一个平面上，相关数据见下表。则根据提供的数据可知（　　） 质量 半径 与太阳间距离 地球 m R r 火星 约0.1m 约0.5R 约1.5r A．在火星表面附近发射飞行器的速度至少为 B．理论上计算可知，相邻两次“火星冲日”的时间间隔大约为1年 C．火星表面的重力加速度与地球表面的重力加速度之比约为2：5 D．火星运行的加速度比地球运行的加速度小 【答案】CD 【详解】A．设行星的质量为，卫星在行星表面做匀速圆周运动时，根据 解得 则 则 即在火星表面附近发射飞行器的最小速度小于，A错误； B．根据开普勒第三定律 可得 相邻两次“火星冲日”的时间间隔，地球多公转一周，则 解得 B错误； C．行星对表面物体的万有引力等于物体在行星表面时受到的重力，则有 解得 则有 C正确； D．太阳对行星的万有引力充当行星做圆周运动的向心力，即 解得 则 可知火星运行的加速度比地球运行的加速度小，D正确。 故选CD。 17．（多选）迄今发现的二百余颗太阳系外行星大多不适宜人类居住，绕恒星“Gliese581”运行的行星“G1-581c”却很值得我们期待，该行星的温度在0℃到40℃之间，质量是地球的6倍、直径是地球的1.5倍，公转周期为13个地球日，“Gliese581”的质量是太阳质量的0.31倍，设该行星与地球均视为质量分布均匀的球体，绕其中心天体做匀速圆周运动，则（　　） A．在该行星和地球上发射卫星的第一宇宙速度不同 B．如果人到了该行星，其体重比地球上的大 C．该行星与“Gliese581”的距离和日地距离相比较大 D．在忽略星球自转的情况下，在该行星和地球上测同一个物体的质量，地球上测得的质量比较小 【答案】ABD 【详解】A．当卫星绕行星表面附近做匀速圆周运动时的速度即为行星的第一宇宙速度，则 可得 M是行星的质量，R是行星的半径，则得该行星与地球的第一宇宙速度之比为 故A正确； B．由万有引力近似等于重力，得 行星表面的重力加速度为 则该行星表面与地球表面重力加速度之比为 所以如果人到了该行星，其体重是地球上的倍，故B正确； C．根据万有引力提供向心力 可得 行星“G1-58lc”公转周期为13个地球日，将已知条件代入解得行星“G1-58lc”的轨道半径与地球轨道半径 故C错误； D．由知该行星与地球的公转速度比为 在忽略星球自转的情况下，根据相对论原理可知，由于该行星公转速度比地球大，地球上的物体如果被带上该行星，其质量会增大，即地球上测得的质量比较小，选项D正确。 故选ABD。 18．（多选）在航天领域中，悬绳卫星是一种新兴技术，它要求两颗卫星都在圆周轨道上运动，且两颗卫星与地心连线始终在一条直线上，如图所示。已知悬绳的长度为L，其重力不计，卫星A、B的线速度分别为v1、v2，则下列说法正确的是（   ） A．两颗卫星的角速度相同 B．两颗卫星的线速度满足v1 > v2 C．两颗卫星之间的悬绳一定受到拉力的作用 D．假设在B卫星轨道上还有一颗卫星C（图中没有画出），它们在同一平面内同向运动，运动一段时间后B、C可能相碰 【答案】ACD 【详解】AB．根据题意知，两颗卫星与地心连线始终在一条直线上，都绕地心做匀速圆周运动，角速度必定相同，由v = rω，v∝r，所以v1 < v2，A正确、B错误； C．假设悬绳没有作用力，两颗卫星均由万有引力提供向心力，根据 = mω2r 知 ω = A卫星的角速度大于B卫星的角速度，所以悬绳一定受到拉力的作用，C正确； D．设悬绳的拉力大小为F，则对B卫星 则得 vB > 对C卫星 则得 vC = 可见两颗卫星的速度不等，所以在同一轨道上同向运动，运动一段时间后B、C可能相碰，D正确。 故选ACD。 19．坐在以0.6c运行的光子火车里的观察者测得车站的站台长度为80m，那么站台上的观察者测量站台长为 ，如果在站台上同一地点发生两个事件的时间间隔为10分钟，那么火车里的观察者测量这两个事件的时间间隔为 。 【答案】 100m 12.5分 【详解】[1]根据 代入数据可得 [2]根据 代入数据可得 20．火星半径是地球半径的一半，火星质量为地球质量的九分之一，忽略火星和地球自转的影响，求： （1）火星表面处的重力加速度与地球表面处的重力加速度之比为多大？ （2）火星的第一宇宙速度与地球的第一宇宙速度之比是多大？ 【详解】设物体的质量为m，在地球表面附近的重力等于万有引力，有 则 同理在火星表面有 则 卫星环绕星球表面运行时有 所以，火星、地球的第一宇宙速度分别是 则 / 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 【题型导航】 【重难题型讲解】 1 题型1 相对论时空观 1 题型2 牛顿力学的局限性 5 题型3 宇宙起源与恒星的演化 6 【能力培优练】 8 【重难题型讲解】 题型1 1、狭义相对论的两个基本假设 （1）狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。 （2）光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。  2、“同时”的相对性：同时是相对的，与参考系的运动有关。 ★特别提醒 解决“同时”的相对性问题，可从三个方面入手： ①令观察者静止，判断被观察者因相对运动而引起的位置变化。 ②结合光速不变原理，分析光传播到两个事件所用的时间。 ③光先传播到的事件先发生，光后传播到的事件后发生。 3、钟慢效应（时间间隔的相对性）： （1）一般来说，在一个相对我们做高速运动的惯性系中发生的物理过程，在我们看来，他所经历的时间比在这个惯性系中直接观察到的时间长。惯性系的速度越大，我们观察到的过程所经历的时间也就越长。对于化学反应、生命过程等，这一结论也是正确的。这就是时间延缓效应，又叫做钟慢效应。 （2）钟慢效应的计算公式（时间间隔的相对性）：。 ★特别提醒 解决时间间隔的相对性应注意： （1）“动钟变慢”是两个不同惯性系进行时间比较的一种效应，不要认为是时钟的结构或精度因运动而发生了变化。 （2）运动时钟变慢完全是相对的，在它们上面的观察者都将发现对方的钟变慢了。 4、尺缩效应（长度的相对性） （1）尺缩效应产生原因：尺缩效应，又称长度收缩效应，是相对论性效应之一。它产生的原因是由于同时性的相对性。在狭义相对论中，两个事件从一个参考系来看是同时的，但从另一个相对运动的参考系来看则不再是同时的。这种对牛顿绝对时空观的破坏导致了尺缩效应的出现。具体来说，当测量一根沿其方向作匀速直线运动的杆子的长度时，必须同时记下它两端的空间位置，而这两个空间位置之间的距离就定义为运动杆子的长度。狭义相对论预言，沿杆子方向运动的杆子的长度会比它静止时的长度短。 （2）尺缩效应实验验证方法：虽然直接验证尺缩效应的实验在宏观尺度上难以实现，但可以通过一些间接的实验来支持这一理论。例如，Rossi and Hall（1941）进行的μ子实验，他们比较了位于山顶和位于海平面的由宇宙射线制造出的μ子数量。尽管μ子从山顶到地面所需的时间已经是几个半衰期，但在海面的μ子数量却只是少了一点。这是由于μ子相对于测试者以高速运动，导致了可观的时间膨胀效应（与尺缩效应相关的一种现象），从而间接支持了尺缩效应的存在。 （3）尺缩效应的应用实例：尺缩效应作为相对论的一个重要效应，其理论意义远大于实际应用。然而，它对于理解高速运动物体的物理行为以及时空的相对性具有重要意义。在理论物理、天体物理以及粒子物理等领域，尺缩效应都是不可或缺的概念。例如，在粒子加速器中，当粒子接近光速运动时，其长度的收缩效应需要考虑在内，以确保实验结果的准确性。 （4）尺缩效应的计算公式（长度的相对性）：。 ★特别提醒 解决长度的相对性问题应当注意： （1）“动尺缩短”是沿运动方向上的长度比其相对静止时测量的长度要短一些，这种长度收缩并非幻觉，并非看上去短了，它的确变短了，它与物体的具体组成和结构无关，当物体运动的速度越接近光速时，这种收缩效应就变得越显著。 （2）在具体计算中要明确，长度收缩指的是只在物体运动方向上的长度收缩，在垂直于运动方向上的长度没有变化。 5、相对论速度的变换公式 以高速火车为例，设车对地面的速度为v，车上的人以速度u'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为如果车上人的运动方向与火车的运动方向相反，则u'取负值。当这两个速度的方向垂直或成其他角度时，情况比较复杂，上式不适用，我们不讨论这种情况。 按照经典的时空观，u=u'+v。而从上式来看，实际上人对地面的速度u比u'与v之和要小，不过只有在u'和u的大小可以与c相比时才会观察到这个差别。 ★特别提醒 当物体的速度比较大时（接近光速），经典力学中计算相对速度的方法就不再适用，要用到相对论速度变换公式进行求解。 6、相对论质量 按照牛顿力学，物体的质量是不变的，因此一定的力作用在物体上，产生的加速度也是一定的，这样，经过足够长的时间以后物体就会达到任意的速度。 但是相对论的速度叠加公式表明，物体的运动速度不能无限增加，这个矛盾启发我们思考：物体的质量是否随物体速度的增加而增大？ 严格的论证证实了这一点，实际上，物体以速度v运动时的质量m与静止时的质量m0之间有如下关系： 。 由于物体的速度c不可能达到光速，所以总有v＜c，1-＜1；所以物体运动时的质量m总是大于静止时的质量m0。这个方程叫做质增方程。 ★特别提醒 （1）根据相对论质量公式可以计算出物体在高速运动情况下的质量。 （2）根据爱因斯坦质能方程计算物体的能量，物体运动时的能量减去静止时的能量就是物体获得的动能。 7、广义相对相对性原理和等效原理 （1）广义相对性原理：在任何参考系中物理规律都是相同的。 （2）等效原理：一个均匀引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。 8、广义相对论的几个结论 （1）物质的引力使线弯曲。 （2）引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别。与这一结论相关的现象是引力红移。 【探究归纳】相对论时空观打破绝对时空，认为时间、空间与物体运动相关，存在尺缩、钟慢效应且光速在惯性系中不变。 【典例1-1】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 【典例1-2】（多选）如图所示，地面上、两处的中点处有一点光源，甲观察者站在光源旁，乙观察者乘坐速度为（接近光速）的火箭沿方向飞行，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，乙测得的光速为 B．甲认为飞船中的钟变慢了，乙认为甲身边的钟变快了 C．甲测得的间的距离大于乙测得的间的距离 D．当光源发生一次闪光后，甲认为、两处同时接收到闪光，乙则认为先接收到闪光 跟踪训练1A、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 跟踪训练2（多选）接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相同的铯原子钟，飞船和地球上的人观测这两只钟的快慢，下列说法正确的有（    ） A．飞船上的人观测到飞船上的钟较快 B．飞船上的人观测到飞船上的钟较慢 C．地球上的人观测到地球上的钟较快 D．地球上的人观测到地球上的钟较慢 题型2 1、牛顿力学的成就：从地面上物体的运动到天体的运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动，从投出篮球到发射导弹、人造地球卫星、宇宙飞船……所有这些都服从牛顿力学的规律。 2、牛顿力学的局限性：牛顿力学对于高速运动的物体和电子、质子、中子等微观粒子是不适用的。 （1）量子力学的建立能够很好地描述宏观低速运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用。 （2）相对论与量子力学都没有否定过去的科学，而只认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形。 3、经典力学与相对论、量子力学的比较 项目 经典力学 相对论、量子力学 形成时期 物理学形成的初期阶段，受历史发展限制，理论较肤浅、片面 形成于物理学充分发展的现代，理论较完善、科学 适用范围 低速运动、宏观世界 任何情况都适用 速度的合成 时间与空间互不相干，关系式v船岸=v船水十v水岸成立 速度与位移、时间的测量有关，v船岸=v船水十v水岸不成立 联系 （1）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(3×108m/s)时。 ②普朗克常量(6.63X10~34J·s)可以忽略不计时。 （2）相对论和量子力学都没有否定经典力学，经典力学是相对论、量子力学的特殊情况。 【探究归纳】牛顿力学仅适用于宏观、低速、弱引力的运动场景，在微观、高速或强引力条件下不再成立，需相对论和量子力学补充。 【典例2-1】1687年，牛顿的《自然哲学的数学原理》的出版，意味着建立了完整的经典力学体系。关于经典力学的适用范围，可以总结为（　　） A．宏观、高速运动的物体 B．宏观、低速运动的物体 C．微观、低速运动的物体 D．微观、高速运动的物体 【典例2-2】（多选）历史上很多科学家通过大量曲折而又闪烁智慧的探索，发现了很多重要的物理定律，建立了很多物理学说。下列叙述符合史实的是（　　） A．牛顿将行星与太阳、地球与月球、地球与地面物体之间的引力规律推广到宇宙中的一切物体，得出了万有引力定律 B．卡文迪什首次在实验室中比较准确地测出了引力常量的数值 C．根据天王星的观测资料，哈雷利用万有引力定律计算出了海王星的轨道 D．爱因斯坦的相对论改变了经典时空观，指出了牛顿力学的局限性，相对论的创立表明经典力学已不再适用 跟踪训练1下列运动不能用牛顿力学描述的是（　　） A．电子以接近光速的速度运动 B．火箭携带卫星飞向太空 C．飞机从跑道上起飞 D．高铁列车从广州向北京飞驰 跟踪训练2（多选）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 题型3 1、宇宙起源（宇宙大爆炸理论） （1）宇宙大爆炸理论是目前广泛接受的宇宙起源理论，它表明宇宙起源于一个极度热密的初始状态，然后经历了急剧膨胀。 （2）这一理论解释了宇宙中各种天体的分布、宇宙背景辐射以及宇宙的演化历史。 （3）它是由比利时天文学家乔治•勒梅特和美国天文学家埃德温•哈勃等人提出的。 2、恒星的演化 （1）恒星初级阶段：由星云向外辐射能量，所形成的的反向推力聚集而成，类似于水的冷凝。 （2）恒星阶段：当初始星云，具备了向内运动的动力，并且聚集之后，突破星云物质分子、原子，释放大量热能的同时释放出十分巨大的空间。 （3）恒星衰老之后的演变取决于恒星的质量：当质量足够大能够压破原子核，就能形成中子星；大到能够压迫中子就可能形成所谓的黑洞；当然恒星质量不足，最终无法进入下一个阶段，只能衰变为白矮星。 ★特别提醒 宇宙的起源与恒星的演化是物理学习过程中积累的知识，这要求学生对课外的知识有一定程度的了解和积累。 【探究归纳】宇宙源于大爆炸的膨胀演化，恒星则依质量从星云诞生，经主序星、红巨星等阶段最终演化为白矮星、中子星或黑洞。 【典例3-1】有关恒星，下列说法中正确的是（　　） A．一颗恒星的寿命取决于它的形状 B．质量大的恒星可用以燃烧的核燃料较多，因此它们的寿命比较长 C．当恒星步入“老年时期”，恒星的核心将开始收缩，而其外层部分则开始膨胀就会成为一颗红色的巨星或超巨星 D．巨星和超巨星可能爆炸成为超大巨星 【典例3-2】（多选）2017年6月，我国发射了宇宙探测卫星“慧眼”．卫星携带的硬X射线调制望远镜（Hard X-ray Modulation Telescope，简称HXMT）在离地550公里的轨道上观察遥远天体发出的X射线，为宇宙起源研究提供了新的证据．则“慧眼”的 A．角速度小于地球自转角速度 B．线速度小于第一宇宙速度 C．周期大于静止卫星的周期 D．向心加速度小于地面的重力加速度 跟踪训练1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 跟踪训练2（多选）宇宙中两颗靠得比较近且质量相差不大的星体，只受到彼此之间的万有引力而互相绕转，称为双星系统。设某双星系统中的A、B两星球绕其连线上的O点做匀速圆周运动，如图所示。若AO>OB，则（　　） A．星球A的角速度一定大于星球B的角速度 B．星球A的质量一定小于星球B的质量 C．若双星间距离一定，双星的总质量越大，其转动周期越大 D．若双星的质量一定，双星之间的距离越大，其转动周期越大 【能力培优练】 1．设想人类利用飞船以0.2c的速度进行星际航行，若飞船向正前方的某星球发射一束激光，则该星球上的观察者测量到激光的速度应该是（    ） A． B． C． D． 2．下列物体的运动不能用牛顿力学描述的是（　　） A．飞机的飞行 B．人造卫星的运行 C．小汽车的行驶 D．光子的运动 3．下列有关相对论时空观和牛顿力学的说法中不正确（　　） A．相对论没有否定牛顿力学，只是认为牛顿力学是在一定条件下的特殊情形 B．真空中光速在不同的惯性参考系中是不相同的 C．牛顿力学有自身的局限性，不适用于微观领域 D．当物体的运动速度远小于光速c时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别 4．下列说法中正确的是（　　） A．牛顿首先把实验和逻辑推理结合起来，开创了一套新的科学研究方法 B．平均速度、瞬时速度、加速度的概念是由伽利略首先提出来的 C．胡克首先发现了弹簧的弹力和形变量成反比 D．以加速运动的物体为参考系，牛顿第一定律依然成立 5．下列说法中正确的是（　　） A．第谷设计扭秤实验装置，借助实验放大法，比较准确地测出了引力常量 B．根据得，可知引力常量与、、、有关 C．牛顿经典力学适用于宏观、高速运动 D．“月一地检验”可以证实万有引力定律的正确性 6．物理学的发展推动了社会进步。在物理学发展的过程中许多科学家做出了重要的贡献，下列说法中符合物理史实的是（　　） A．伽利略通过“冲淡重力”的方法完成了理想斜面实验 B．卡文迪什利用扭秤实验测定引力常量主要运用了理想化模型的思想 C．爱因斯坦的相对论否定了牛顿力学理论，成功解决了宏观物体的高速运动问题 D．科学家通过万有引力定律计算预言了海王星的存在，后来被证实，因此海王星被称为“笔尖下发现的行星” 7．牛顿创立了经典力学，揭示了包括行星在内的宏观物体的运动规律；爱因斯坦进一步发展了经典力学，创立了相对论.关于相对论时空观与牛顿力学的局限性，下列说法正确的是（　　） A．相对论时空观认为在某参考系中同时发生的两件事在另一参考系中也是同时的 B．牛顿经典力学能够很好地描述微观粒子运动的规律 C．牛顿运动定律不适用于以第二宇宙速度运动的宇宙飞船 D．相对论时空观认为运动的时钟会变慢，运动的尺子会变短 8．经典力学是以牛顿的三大定律为基础的，相对论是现代物理学的基础，关于相对论时空观与牛顿力学的局限性，下列说法正确的是（　　） A．运动的时钟会变快，运动的尺子会变长 B．在某参考系中同时发生的两件事，在另一参考系看来不一定是同时的 C．牛顿运动定律是普适定律，既适用于宏观物体也适用于微观物体 D．地球以30000m/s的速度绕太阳公转时，经典力学就不适用了 9．关于牛顿经典力学与相对论，下列说法中正确的是（    ） A．相对论彻底否定了牛顿力学 B．在相对论中，运动的钟比静止的钟慢 C．牛顿力学能应用于接近光速运动的问题 D．牛顿力学能应用于分子、原子和原子核等的微观领域 10．如图所示，在未来某年A乘坐速度为0.8c（c为光速）的宇宙飞船追赶正前方的B，B的飞行速度为0.6c，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．0.8c C．1.0c D．1.4c 11．（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 12．（多选）在物理学发展历史中，许多物理学家做出了卓越贡献。以下关于物理学家所作科学贡献的叙述中，正确的是（　　） A．爱因斯坦在其相对论中指出，时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的 B．胡克等人认为行星所受太阳的引力大小跟行星到太阳距离的二次方成反比。 C．牛顿对引力常量G进行准确测定，并于1687年发表在其传世之作《自然哲学的数学原理》中 D．卡文迪许进行了月-地检验，得出天上和地表的物体间的引力作用都遵从万有引力定律 13．（多选）下列表述符合物理史实的是（    ） A．开普勒通过分析第谷的天文观测数据，提出了“日心说”，并发现了万有引力定律 B．卡文迪什通过实验推算出引力常量G的值，被誉为第一个能“称量地球质量”的人 C．牛顿通过“月—地检验”发现地面物体所受地球的引力、月球所受地球的引力都遵从相同的规律 D．牛顿力学取得了巨大成就，适用于一切领域 14．（多选）下列说法中正确的是（　　） A．坐在高速离开地球的火箭里的人认为地球上的人新陈代谢变慢了 B．雷达利用超声波来测定物体的距离和方位 C．普通光源发出的光通过双缝会产生干涉现象 D．电子表的液晶显示应用了光的偏振原理 15．（多选）如图是“嫦娥三号”飞行轨道示意图。假设“嫦娥三号”运行经过P点第一次通过近月制动使“嫦娥三号”在距离月面高度为100 km的圆形轨道Ⅰ上运动，再次经过P点时第二次通过近月制动使“嫦娥三号”在距离月面近地点为Q、高度为15 km，远地点为P、高度为100 km的椭圆轨道Ⅱ上运动，下列说法正确的是（　　） A．“嫦娥三号”在距离月面高度为100 km的圆轨道Ⅰ上运动时速度大小可能变化 B．“嫦娥三号”在距离月面高度为100 km的圆轨道Ⅰ上运动的周期一定大于在椭圆轨道Ⅱ上运动的周期 C．“嫦娥三号”在椭圆轨道Ⅱ上运动经过Q点时的加速度一定大于经过P点时的加速度 D．“嫦娥三号”在椭圆轨道Ⅱ上运动经过Q点时的速率可能小于经过P点时的速率 16．（多选）地球位于太阳和行星之间且三者几乎排成一条直线的现象，天文学上称为“行星冲日”。火星与地球几乎在同一平面内沿同一方向绕太阳近似做匀速圆周运动。不考虑火星与地球的自转，且假设火星和地球的轨道平面在同一个平面上，相关数据见下表。则根据提供的数据可知（　　） 质量 半径 与太阳间距离 地球 m R r 火星 约0.1m 约0.5R 约1.5r A．在火星表面附近发射飞行器的速度至少为 B．理论上计算可知，相邻两次“火星冲日”的时间间隔大约为1年 C．火星表面的重力加速度与地球表面的重力加速度之比约为2：5 D．火星运行的加速度比地球运行的加速度小 17．（多选）迄今发现的二百余颗太阳系外行星大多不适宜人类居住，绕恒星“Gliese581”运行的行星“G1-581c”却很值得我们期待，该行星的温度在0℃到40℃之间，质量是地球的6倍、直径是地球的1.5倍，公转周期为13个地球日，“Gliese581”的质量是太阳质量的0.31倍，设该行星与地球均视为质量分布均匀的球体，绕其中心天体做匀速圆周运动，则（　　） A．在该行星和地球上发射卫星的第一宇宙速度不同 B．如果人到了该行星，其体重比地球上的大 C．该行星与“Gliese581”的距离和日地距离相比较大 D．在忽略星球自转的情况下，在该行星和地球上测同一个物体的质量，地球上测得的质量比较小 18．（多选）在航天领域中，悬绳卫星是一种新兴技术，它要求两颗卫星都在圆周轨道上运动，且两颗卫星与地心连线始终在一条直线上，如图所示。已知悬绳的长度为L，其重力不计，卫星A、B的线速度分别为v1、v2，则下列说法正确的是（   ） A．两颗卫星的角速度相同 B．两颗卫星的线速度满足v1 > v2 C．两颗卫星之间的悬绳一定受到拉力的作用 D．假设在B卫星轨道上还有一颗卫星C（图中没有画出），它们在同一平面内同向运动，运动一段时间后B、C可能相碰 19．坐在以0.6c运行的光子火车里的观察者测得车站的站台长度为80m，那么站台上的观察者测量站台长为 ，如果在站台上同一地点发生两个事件的时间间隔为10分钟，那么火车里的观察者测量这两个事件的时间间隔为 。 20．火星半径是地球半径的一半，火星质量为地球质量的九分之一，忽略火星和地球自转的影响，求： （1）火星表面处的重力加速度与地球表面处的重力加速度之比为多大？ （2）火星的第一宇宙速度与地球的第一宇宙速度之比是多大？ / 学科网（北京）股份有限公司 $