5. 相对论时空观与牛顿力学的局限性（分层作业）物理人教版必修第二册

5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 目录 【攻核心·技能提升】 1 一、 相对论时空观 1 二、牛顿力学的成就与局限性 2 【拓思维·重难突破】 3 【链高考·精准破局】 4 1、 相对论时空观 1．1905年爱因斯坦发表了一篇改变历史的重要论文《论动体的电动力学》，提出了著名的狭义相对论，狭义相对论阐述物体以接近光的速度时所遵循的规律，已经成为现代科学重要基础理论之一。下列现象中不属于狭义相对论效应的是（　　） A．时空弯曲效应 B．长度收缩效应 C．时间延缓效应 D．质量增加效应 2．平直轨道上，一列火车对地速度为，火车上一激光源发出一束激光，设光速为，则地面上观察者测得激光的速度为（　　） A． B． C． D． 3．光在真空中的速度为c，如果某飞船在以0.5c的速度向某一星球飞行时，发出一光信号进行提示。假设所有的星球均相对静止，则下列说法正确的是（　　） A．该星球上的人观测到的光信号的速度为1.5c B．该星球上的人观测到的光信号的速度为0.5c C．星球上的人观测飞船上的时钟变慢了 D．飞船上的人观测星球上的时钟变快了 4．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 5．惯性系S中有一静止的边长为l的正方形（轮廓如虚线框所示），从相对S系沿如图中所示方向以接近光速飞行的飞行器上测得该正方形的图像（灰色区域）是（　　） A． B． C． D． 二、牛顿力学的成就与局限性 6．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，在另一参考系看来也一定是同时的 B．在经典力学中，物体的质量不随运动状态改变而改变 C．相对论时空观认为运动的时钟会变快，运动的尺子会变长 D．相对论和量子力学证明了牛顿力学是错误和过时的 7．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．当物体的运动速度远小于光速时，经典力学是适用的 B．经典力学认为时间和空间与物体及其运动有关系 C．相对论时空观适用于宏观物体、低速运动问题，不适用于高速运动的问题 D．相对论时空观认为时间和空间是独立于物体及其运动而存在的 8．下列说法中正确的是（　　） A．经典力学只适用于微观、低速、弱引力场 B．物体做曲线运动时，其所受合外力必须是变力 C．当外力不足以提供物体做匀速圆周运动的向心力时，物体将做直线运动 D．牛顿发现了万有引力定律，卡文迪许利用扭秤实验测得万有引力常量 9．关于牛顿力学的成就与局限性，下列说法错误的是（　　） A．牛顿力学的基础是牛顿运动定律 B．天体的运动服从牛顿力学的规律 C．物体在以接近光速运动时所遵从的规律，以及微观世界中的电子、质子、中子等粒子的运动规律，在很多情况下不能用牛顿力学来说明 D．相对论与量子力学否定了牛顿力学 10．下列物理情景中，经典的牛顿力学不再适用的是（　　） A．地球围绕太阳运动 B．超音速战斗机在空中飞行 C．粒子接近光速运动 D．高铁列车从茂名向广州飞驰 11．（多选）下列认识正确的是（　　） A．中国东风27超高音速导弹的飞行速度可达到3400m/s，牛顿力学不再适用 B．地面观察者观测到的在0.7c运行的列车上乘客的手表走时更慢 C．对于地面上静止不动的物体，在不同的惯性参考系中测得该物体的长度都是一样的 D．在不同的惯性参考系中，测得真空中的光速大小依然相同 12．（多选）光在真空中的速度为c，如果某飞船在以0.5c的速度向某一星球飞行时，发出一光信号进行提示。假设所有的星球均相对静止，则下列说法正确的是（　　） A．该星球上的人观测到的光信号的速度为1.5c B．该星球上的人观测到的光信号的速度为c C．地球上的人观测到的光信号的速度为c D．飞船正后方的某星球上的人观测到的光信号的速度为0.5c 13．（多选）如图所示，假设一根10cm长的梭镖以接近光速穿过一根10cm长静止的管子，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 14．（多选）有两辆较长的火车A和B，火车A静止不动，A的中央有一个光源，在某时刻发出一个闪光。此时火车B正以一较大的速度在平行于火车A的轨道上匀速运动，如图所示。关于火车A和火车B上的观察者观察到的现象，下列说法正确的是（　　）    A．火车A上的观察者看到闪光先到达火车A的前壁 B．火车A上的观察者看到闪光同时到达火车A的前、后壁 C．火车B上的观察者看到闪光不同时到达火车A的前、后壁 D．火车B上的观察者看到闪光同时到达火车A的前、后壁 15．（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 16．（24-25高一下·福建漳州·期末）根据狭义相对论，相对观测者以接近光速运动的物体（　　） A．沿运动方向的长度变短 B．沿运动方向的长度变长 C．垂直于运动方向的高度变小 D．垂直于运动方向的高度变大 17．（24-25高一下·江苏常州·期末）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． 18．（24-25高一上·浙江杭州·期末）下列说法中，正确的是 （　　） A．牛顿发现了行星的运动规律 B．卡文迪许第一次在实验室里测出了万有引力常量 C．在惯性系中，光源运动的情况下观察者观测到的光速不一定是c D．在高速运动情况下，惯性系中的物理规律不一定相同 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $ 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 目录 【攻核心·技能提升】 1 一、 相对论时空观 1 二、牛顿力学的成就与局限性 3 【拓思维·重难突破】 4 【链高考·精准破局】 7 1、 相对论时空观 1．1905年爱因斯坦发表了一篇改变历史的重要论文《论动体的电动力学》，提出了著名的狭义相对论，狭义相对论阐述物体以接近光的速度时所遵循的规律，已经成为现代科学重要基础理论之一。下列现象中不属于狭义相对论效应的是（　　） A．时空弯曲效应 B．长度收缩效应 C．时间延缓效应 D．质量增加效应 【答案】A 【详解】A．时空弯曲效应是广义相对论的核心内容，描述物质和能量对时空几何结构的影响，而狭义相对论不涉及引力或时空弯曲，故A符合题意； B．长度收缩效应是狭义相对论的基本结论，指物体在运动方向上的长度缩短，故B不符合题意； C．时间延缓效应（钟慢效应）是狭义相对论的重要效应，指高速运动的参考系中时间流逝变慢，故C不符合题意； D．质量增加效应是狭义相对论的结论，物体质量随速度增大而增加，故D不符合题意。 故选A。 2．平直轨道上，一列火车对地速度为，火车上一激光源发出一束激光，设光速为，则地面上观察者测得激光的速度为（　　） A． B． C． D． 【答案】A 【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。因此，无论火车速度如何，地面观察者测得的光速仍为。 故选A。 3．光在真空中的速度为c，如果某飞船在以0.5c的速度向某一星球飞行时，发出一光信号进行提示。假设所有的星球均相对静止，则下列说法正确的是（　　） A．该星球上的人观测到的光信号的速度为1.5c B．该星球上的人观测到的光信号的速度为0.5c C．星球上的人观测飞船上的时钟变慢了 D．飞船上的人观测星球上的时钟变快了 【答案】C 【详解】AB．根据光速不变原理，任何惯性系中光速均为，即该星球上的人观测到的光信号的速度为c，故AB错误； C．根据狭义相对论的时间膨胀效应，运动的时钟变慢，飞船相对星球运动，故星球上的人观测飞船时钟变慢，C正确； D．结合上述，飞船上的人认为星球在运动，会观测到星球的时钟变慢而非变快，故D错误。 故选C。 4．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。 5．惯性系S中有一静止的边长为l的正方形（轮廓如虚线框所示），从相对S系沿如图中所示方向以接近光速飞行的飞行器上测得该正方形的图像（灰色区域）是（　　） A． B． C． D． 【答案】C 【详解】由相对论尺缩效应可知运动方向上的边长变短，垂直运动方向的边长不变。 故选C。 二、牛顿力学的成就与局限性 6．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，在另一参考系看来也一定是同时的 B．在经典力学中，物体的质量不随运动状态改变而改变 C．相对论时空观认为运动的时钟会变快，运动的尺子会变长 D．相对论和量子力学证明了牛顿力学是错误和过时的 【答案】B 【详解】A．相对论强调同时的相对性，故A错误； B．经典力学中质量恒定，故B正确； C．根据相对论，运动的时钟会变慢（时间膨胀），沿运动方向的尺子会变短（长度收缩），故C错误； D．牛顿力学未被完全推翻，而是适用范围受限，故D错误； 故选B。 7．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．当物体的运动速度远小于光速时，经典力学是适用的 B．经典力学认为时间和空间与物体及其运动有关系 C．相对论时空观适用于宏观物体、低速运动问题，不适用于高速运动的问题 D．相对论时空观认为时间和空间是独立于物体及其运动而存在的 【答案】A 【详解】A．经典力学在物体速度远小于光速时适用，例如日常宏观物体的运动，故A正确； B．牛顿力学主张绝对时空观，认为时空独立于物体运动，而相对论提出时空与物质运动相关，故B错误； C．相对论适用于高速(接近光速)或强引力场的情况，而经典力学适用于低速，故C错误； D．相对论时空观明确否定时空的独立性，强调时空与物质运动的联系，故D错误。 故选A。 8．下列说法中正确的是（　　） A．经典力学只适用于微观、低速、弱引力场 B．物体做曲线运动时，其所受合外力必须是变力 C．当外力不足以提供物体做匀速圆周运动的向心力时，物体将做直线运动 D．牛顿发现了万有引力定律，卡文迪许利用扭秤实验测得万有引力常量 【答案】D 【详解】A．经典力学适用于宏观、低速、弱引力场，而非微观，故A错误； B．物体做曲线运动时，合外力可以是恒力（如平抛运动中重力恒定），故B错误； C．当外力不足以提供向心力时，物体将做离心运动（轨迹仍为曲线，如半径增大的螺旋或抛物线），而非直线运动，故C错误； D．牛顿提出万有引力定律，卡文迪许通过扭秤实验测定了引力常量，故D正确。 故选D。 9．关于牛顿力学的成就与局限性，下列说法错误的是（　　） A．牛顿力学的基础是牛顿运动定律 B．天体的运动服从牛顿力学的规律 C．物体在以接近光速运动时所遵从的规律，以及微观世界中的电子、质子、中子等粒子的运动规律，在很多情况下不能用牛顿力学来说明 D．相对论与量子力学否定了牛顿力学 【答案】D 【详解】A．牛顿力学的基础是牛顿运动定律，即牛顿第一定律、牛顿第二定律与牛顿第三定律，故A正确，不符合题意； B．牛顿力学能够解释天体运动的规律，即天体的运动服从牛顿力学的规律，故B正确，不符合题意； C．牛顿运动定律适用于宏观、低速运动物体，当物体在以接近光速的运动时需用相对论，微观粒子运动需用量子力学，牛顿力学在此类情形下不适用，故C正确，不符合题意； D．相对论和量子力学并未否定牛顿力学，而是明确了牛顿力学的适用范围为宏观、低速运动的物体，故D错误，符合题意。 故选D。 10．下列物理情景中，经典的牛顿力学不再适用的是（　　） A．地球围绕太阳运动 B．超音速战斗机在空中飞行 C．粒子接近光速运动 D．高铁列车从茂名向广州飞驰 【答案】C 【详解】A．地球绕太阳运动的速度远低于光速（约30 km/s），牛顿力学仍适用，故A错误； B．超音速战斗机的速度（约1 km/s）远低于光速，牛顿力学适用，故B错误； C．当粒子速度接近光速时，相对论效应显著，牛顿力学不再适用，故C正确； D．高铁速度（约83 m/s）属于低速范围，牛顿力学适用，故D错误。 故选C。 11．（多选）下列认识正确的是（　　） A．中国东风27超高音速导弹的飞行速度可达到3400m/s，牛顿力学不再适用 B．地面观察者观测到的在0.7c运行的列车上乘客的手表走时更慢 C．对于地面上静止不动的物体，在不同的惯性参考系中测得该物体的长度都是一样的 D．在不同的惯性参考系中，测得真空中的光速大小依然相同 【答案】BD 【详解】A．牛顿力学（经典力学）的适用范围是低速（远小于光速）和宏观领域。光速为 ，虽然很高，但远小于光速。此时相对论效应（如时间膨胀、长度收缩）可以忽略，牛顿力学仍然适用，A错误； B．这是狭义相对论的时间膨胀效应。地面观察者（静止参考系）会认为运动参考系（列车）中的时间流逝更慢。公式 其中 时，，确实存在时间膨胀，B正确； C．狭义相对论中，长度测量是参考系依赖的（长度收缩效应）。静止参考系中测得的长度是固有长度。运动参考系中测得的长度会收缩。因此，不同参考系中测得的长度一般不同，C错误； D．这是狭义相对论的基本假设之一（光速不变原理）。已被大量实验验证，与经典速度叠加不同，光速与参考系无关，D正确。 故选BD。 12．（多选）光在真空中的速度为c，如果某飞船在以0.5c的速度向某一星球飞行时，发出一光信号进行提示。假设所有的星球均相对静止，则下列说法正确的是（　　） A．该星球上的人观测到的光信号的速度为1.5c B．该星球上的人观测到的光信号的速度为c C．地球上的人观测到的光信号的速度为c D．飞船正后方的某星球上的人观测到的光信号的速度为0.5c 【答案】BC 【详解】根据相对论，真空中的光速相对于不同的惯性参考系是相同的，都是，故BC正确，AD错误。 故选BC。 13．（多选）如图所示，假设一根10cm长的梭镖以接近光速穿过一根10cm长静止的管子，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 【答案】AD 【详解】ABC．根据狭义相对论的尺缩效应，如果梭镖相对于观察者运动，那么梭镖收缩变短，而管子长度不变，因此在某个位置，管子能完全遮住梭镖，选项A正确，BC错误； D．管子相对梭镖高速运动，由尺缩效应可知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，选项D正确。 故选AD。 14．（多选）有两辆较长的火车A和B，火车A静止不动，A的中央有一个光源，在某时刻发出一个闪光。此时火车B正以一较大的速度在平行于火车A的轨道上匀速运动，如图所示。关于火车A和火车B上的观察者观察到的现象，下列说法正确的是（　　）    A．火车A上的观察者看到闪光先到达火车A的前壁 B．火车A上的观察者看到闪光同时到达火车A的前、后壁 C．火车B上的观察者看到闪光不同时到达火车A的前、后壁 D．火车B上的观察者看到闪光同时到达火车A的前、后壁 【答案】BC 【详解】AB．由于火车A静止，光源发出的光传播到前、后壁的距离相同，所以火车A上的观察者看到闪光同时到达火车A的前、后壁，故A错误，B正确； CD．火车B的观察者感到火车A的前、后壁到光源的距离不同，而光速不变，所以火车B上的观察者看到闪光不同时到达火车A的前、后壁，故C正确，D错误。 故选BC。 15．（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。 16．（24-25高一下·福建漳州·期末）根据狭义相对论，相对观测者以接近光速运动的物体（　　） A．沿运动方向的长度变短 B．沿运动方向的长度变长 C．垂直于运动方向的高度变小 D．垂直于运动方向的高度变大 【答案】A 【详解】根据狭义相对论的长度收缩效应，物体在相对于观测者的运动方向上会发生长度收缩，而垂直于运动方向的长度保持不变。公式为，其中为静止时的长度，为运动方向上的测量长度。 故选A。 17．（24-25高一下·江苏常州·期末）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。 18．（24-25高一上·浙江杭州·期末）下列说法中，正确的是 （　　） A．牛顿发现了行星的运动规律 B．卡文迪许第一次在实验室里测出了万有引力常量 C．在惯性系中，光源运动的情况下观察者观测到的光速不一定是c D．在高速运动情况下，惯性系中的物理规律不一定相同 【答案】B 【详解】A．开普勒发现了行星的运动规律，选项A错误； B．卡文迪许第一次在实验室里测出了万有引力常量，选项B正确； C．根据光速不变原理，在惯性系中，光源运动的情况下观察者观测到的光速一定是c，选项C错误； D．狭义相对论的相对性原理告诉我们，物理规律在所有惯性系中都具有相同的形式，选项D错误。 故选B。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $