7.5 相对论时客观和牛顿力学的局限性-2025-2026学年高一物理同步讲义（人教版必修二）

本讲义聚焦相对论时空观与牛顿力学的局限性核心知识点，系统梳理牛顿力学适用于宏观低速物体的成就与局限，衔接狭义相对论的两个基本假设（光速不变、物理规律在惯性系中形式相同），延伸至时间延缓、长度收缩、速度变换、相对论质量等效应，兼顾经典相对性原理、广义相对论及宇宙恒星演化知识，构建从经典到近代物理的学习支架。 该资料通过9大题型（如牛顿力学局限性判断、长度收缩效应计算等）设计，融合选择与计算等多元题目，以飞船运动、粒子速度等实例深化理解，助力学生形成物质与运动的物理观念，培养科学推理与模型建构的科学思维。课中辅助教师分模块教学，课后便于学生针对性练习，查漏补缺，提升知识应用能力。

7.5相对论时客观和牛顿力学的局限性（原卷版） 题型1 牛顿力学的成就与局限性 1 题型 2长度收缩效应 3 题型 3 时间延缓效应 4 题型 4 相对论速度变换公式 5 题型 5 相对论质量 6 题型 6 经典相对性原理 8 题型 7 狭义相对论的两个基本假设 10 题型 8 宇宙起源和恒星演化 12 题型 9 广义相对论 13 一、相对论时空观与牛顿力学的局限性 1．相对论时空观 (1)爱因斯坦的两个假设：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。 (2)爱因斯坦假设的结果 ①时间延缓效应 如果相对于地面以v运动的惯性参考系上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Δτ，地面上的人观察到该物体完成这个动作的时间间隔为Δt，那么两者之间的关系是Δt＝ 　。 ②长度收缩效应 如果与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以v相对杆运动的人测得杆长是l，那么两者之间的关系是l＝ l0　。 2．牛顿力学的成就与局限性 顿力学适用于宏观物体，低速运动。 1．对光速不变原理的理解 不管光源与观察者的相对运动如何，在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的光速都是相等的。 2．相对论时空观的“两个效应”的理解 (1)时间延缓效应的理解 日常生活中的时间延缓效应可以忽略，但在运动速度接近光速时，时间延缓效应则变得特别重要。 (2)长度收缩效应的理解 ①在垂直于运动方向不发生长度收缩效应现象。 ②我们平常观察不到长度收缩效应，是因为我们生活在比光速低得多的低速世界里，长度收缩效应极不明显。 s 题型1 牛顿力学的成就与局限性 1．下列物体的运动，不能用牛顿力学规律描述的是（　　） A．飞机起飞 B．火车进站 C．粒子以接近光速运动 2．对于下列物体的运动，经典力学不适用的是（　　） A．复兴号列车在高速行驶 B．辽宁号航母在大海上航行 C．国产大飞机C919在空中飞行 D．微观粒子以0.7倍的光速运动 3．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 4．下列运动不能用牛顿力学规律解释的是（　　） A．射出的子弹 B．“复兴号”动车从长沙向北京运动 C．月球绕地球运动 D．电子绕原子核高速运动 题型 2长度收缩效应 5．一艘飞船静止时船身长为L，它以0.3c（c为光速）光速沿船身方向飞离地球，飞船与地面通过电磁波相互联络，则（   ） A．地面上观测者测得来自飞船电磁波信号的速度等于光速 B．飞船上观测者测得来自地面电磁波信号的速度小于光速 C．飞船上观测者测得飞船长度小于L D．地面上观测者测得飞船长度等于L 6．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 7．A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上，B、C分别放在以速度和朝相反方向飞行的飞行器中，且，地面上观察者认为走得最快和最慢的时钟分别是（　　） A．B和C B．A和C C．B和A D．C和A 题型 3 时间延缓效应 8．如图所示，有三个完全相同的时钟，时钟A放在地面上，时钟B、C分别放在两个火箭上，以速度vB和vC朝同一方向飞行，vB<vC。对于地面上的观察者来说，则走得最慢是（　　） A．时钟A B．时钟B C．时钟C 9．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． 题型 4 相对论速度变换公式 10．一粒子以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 11．假设一空间站相对地球静止在太空中，一宇宙飞船甲相对空间站以速度从空间站飞过，宇宙飞船乙相对空间站以速度与宇宙飞船甲反方向飞行。求：（计算结果保留2位有效数字） （1）以宇宙飞船甲为参考系乙的速度为多大？ （2）以宇宙飞船乙为参考系甲的速度为多大？ 12．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 题型 5 相对论质量 13．以地面为参照系，宇航员在地面上的质量为 m0，在核心舱内的质量为 m，已知核心舱相对地面的飞行速度为 v，如果只考虑狭义相对论效应，则 m 和 m0 的关系正确的是（    ） A． B． C． D． 14．（1）在高速运动问题中，物体的质量还是恒定不变的吗？( ) （2）相对论中，物体的质量与速度的关系式：m= 。 15．根据狭义相对论的两个基本假设，下列推论正确的是（　　） A．运动的时钟变慢 B．运动的时钟变快 C．运动的尺子变长 D．物体的质量随速度的增加而减小 16．有关物体的质量与速度的关系的说法，正确的是（　　） A．物体的质量与物体的运动速度无关 B．物体的质量随物体的运动速度增大而增大 C．物体的质量随物体的运动速度增大而减小 D．当物体的运动速度接近光速时，质量趋于零 题型 6 经典相对性原理 17．关于量子力学说法正确的是（　　） A．海森堡和玻恩等人对玻尔的氢原子理论进行了推广和改造 B．波动力学和矩阵力学在数学上是不等价的 C．量子力学就是“早期量子论” D．量子力学能够解决微观世界的物理问题 18．时间延缓效应 如果相对于地面以v运动的惯性参考系上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，那么两者之间的关系是，由于，所以总有，此种情况称为 ． 19．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 20．下列关于牛顿力学和相对论的说法正确的是（　　） A．牛顿力学只适用于宏观世界中做低速运动的物体 B．相对论的出现，使牛顿力学失去了意义 C．相对论认为时间和空间并不是相互独立的 D．狭义相对论的其中一个基本假设是在不同的惯性参考系中，测得的真空中的光速不相同 题型 7 狭义相对论的两个基本假设 21．一列火车在前进中，车头和车尾各遭到一次闪电轰击。据车上的一个观察者测定，这两次轰击是同时发生的。则车上的观察者位于 （A．车前部B．车正中C．车后部，选填“”、“”或“”），对于铁路边地面上观察者来说， （A．车头先B．车尾先C．头尾同时，选填“”、“”或“”）受到轰击。 22．下列说法正确的是（    ） A．牛顿提出了万有引力定律，并用实验测出了万有引力常量 B．楞次发现电磁感应现象，并认为穿过线圈的磁通量越大，感应电动势就越大 C．爱因斯坦提出了狭义相对论，认为真空中的光速在所有惯性参考系中都是恒定的 D．麦克斯韦提出了电磁场理论，认为电磁波和机械波一样，它们的传播需要介质 23．1905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 24．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． 题型 8 宇宙起源和恒星演化 25．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 26．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 27．人类对宇宙的探索已经有很长的历史。从2300多年前我国战国时期的思想家尸佼给出了宇宙的定义到广义相对论建立之后，宇宙学真正成为了现代科学意义上的一门学科。1929年，美国天文学家哈勃通过对大量星系的观测发现，银河系外的绝大部分星系都在 （选填：A．靠近  B．远离）我们，据此，科学家提出了 宇宙学，以解释宇宙的起源。 28．太阳的寿命估计为100亿年，目前已度过了约50亿年，当太阳耗尽核燃料后，最终将会演化变成（　　） A．主序星 B．白矮星 C．中子星 D．红巨星 题型 9 广义相对论 29．黑洞是存在于宇宙空间中的一种特殊天体。人们可以通过观测黑洞外的另一个天体（也称伴星）的光谱来获取信息。如图所示，若伴星绕黑洞沿逆时针方向做匀速圆周运动，伴星的轨道与地球的视向方向共面。人们在地球上观测到的伴星光谱谱线的波长，式中是光源静止时的谱线波长，为光速，为伴星在地球视向方向的分速度（以地球的视向方向为正方向）。已知引力常量，不考虑宇宙膨胀和黑洞引力导致的谱线波长变化。下列说法正确的是（　　） A．观测到伴星光谱谱线的波长，对应着伴星向靠近地球的方向运动 B．观测到伴星光谱谱线波长的最大值，对应着伴星在图中位置 C．根据伴星光谱谱线波长变化的周期和最大波长可以估测黑洞的密度 D．根据伴星光谱谱线波长变化的周期和最大波长可以估测伴星运动的半径 30．以下属于牛顿力学可以描述的情景是（    ） A．高铁的运动 B．高能粒子加速器中质子的运动 C．原子内核外电子的运动 D．中子星的运动 31．一列高铁过桥时，桥上的观察者认为 （选填“A．高铁”或“B．桥”）变短了，高铁上的观察者认为高铁长度 （选填“A．变长”、“B．变短”或“C．没变”） 32．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）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下列不属于广义相对论证据提( ) A．引力场中的谱线红移    B．水星公转轨道的近日点进动 C．引力场中的时钟变慢    D．物体的运动速度越大，运动质量越大 相对论 33．以下属于牛顿力学可以描述的情景是（　　） A．高铁的运动 B．高能粒子加速器中质子的运动 C．原子内核外电子的运动 D．中子星的运动 34．（1）一列高铁过桥时，桥上的观察者认为( )变短了， A．高铁                 B．桥 （2）高铁上的观察者认为高铁长度( ) A．变长         B．变短         C．没变 （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( ) A．   B． C．    D． 35．（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）下列不属于广义相对论证据的是( ) A．引力场中的谱线红移         B．水星公转轨道的近日点进动 C．引力场中的时钟变慢         D．物体的运动速度越大，运动质量越大 36．按照爱因斯坦的广义相对论，下列说法中正确的是（　　） A．天体之间的引力作用是时空弯曲的表现 B．光线经过太阳附近时会发生弯曲 C．氢原子发射的光从太阳传播到地球时，它的频率要比地球上氢原子发射的光的频率低 D．光在真空中任何情况下都是沿直线传播的 2 1 学科网（北京）股份有限公司 $ 7.5相对论时客观和牛顿力学的局限性（解析版） 题型1 牛顿力学的成就与局限性 1 题型 2长度收缩效应 3 题型 3 时间延缓效应 4 题型 4 相对论速度变换公式 5 题型 5 相对论质量 6 题型 6 经典相对性原理 8 题型 7 狭义相对论的两个基本假设 10 题型 8 宇宙起源和恒星演化 12 题型 9 广义相对论 13 一、相对论时空观与牛顿力学的局限性 1．相对论时空观 (1)爱因斯坦的两个假设：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。 (2)爱因斯坦假设的结果 ①时间延缓效应 如果相对于地面以v运动的惯性参考系上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Δτ，地面上的人观察到该物体完成这个动作的时间间隔为Δt，那么两者之间的关系是Δt＝ 　。 ②长度收缩效应 如果与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以v相对杆运动的人测得杆长是l，那么两者之间的关系是l＝ l0　。 2．牛顿力学的成就与局限性 顿力学适用于宏观物体，低速运动。 1．对光速不变原理的理解 不管光源与观察者的相对运动如何，在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的光速都是相等的。 2．相对论时空观的“两个效应”的理解 (1)时间延缓效应的理解 日常生活中的时间延缓效应可以忽略，但在运动速度接近光速时，时间延缓效应则变得特别重要。 (2)长度收缩效应的理解 ①在垂直于运动方向不发生长度收缩效应现象。 ②我们平常观察不到长度收缩效应，是因为我们生活在比光速低得多的低速世界里，长度收缩效应极不明显。 s 题型1 牛顿力学的成就与局限性 1．下列物体的运动，不能用牛顿力学规律描述的是（　　） A．飞机起飞 B．火车进站 C．粒子以接近光速运动 【答案】C 【知识点】牛顿力学的成就与局限性 【详解】A. 飞机起飞是宏观物体的低速运动（速度远低于光速），牛顿力学可准确描述，故A错误； B. 火车进站是宏观物体的低速运动（速度远低于光速），牛顿力学可准确描述，故B错误； C. 粒子以接近光速运动时，需考虑相对论效应（如质量增加、时间膨胀），牛顿力学无法准确描述，故C正确。 故选C。 2．对于下列物体的运动，经典力学不适用的是（　　） A．复兴号列车在高速行驶 B．辽宁号航母在大海上航行 C．国产大飞机C919在空中飞行 D．微观粒子以0.7倍的光速运动 【答案】D 【知识点】牛顿力学的成就与局限性 【详解】经典力学（牛顿力学）适用于宏观物体在低速（远低于光速）运动的情况。当物体的速度接近光速或物体为微观粒子时，经典力学不再适用，需用相对论或量子力学分析。复兴号列车、辽宁号航母、国产大飞机C919均为宏观物体，其速度都远低于光速，经典力学均适用；微观粒子（如电子或质子）以0.7倍的光速运动时，由于其速度极高（），相对论效应显著，故经典力学不再适用。 故选D。 3．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 【知识点】牛顿力学的成就与局限性、物理学史 【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。 4．下列运动不能用牛顿力学规律解释的是（　　） A．射出的子弹 B．“复兴号”动车从长沙向北京运动 C．月球绕地球运动 D．电子绕原子核高速运动 【答案】D 【知识点】牛顿力学的成就与局限性 【详解】A．子弹属于宏观物体且速度远低于光速，牛顿力学适用，A错误； B．动车是宏观低速运动的物体，牛顿力学适用，B错误； C．月球绕地球运动属于宏观天体的低速运动，牛顿万有引力定律可解释，C错误； D．电子是微观粒子，其绕原子核的运动需用量子力学描述，牛顿力学无法解释其量子化行为，D正确。 故选D。 题型 2长度收缩效应 5．一艘飞船静止时船身长为L，它以0.3c（c为光速）光速沿船身方向飞离地球，飞船与地面通过电磁波相互联络，则（   ） A．地面上观测者测得来自飞船电磁波信号的速度等于光速 B．飞船上观测者测得来自地面电磁波信号的速度小于光速 C．飞船上观测者测得飞船长度小于L D．地面上观测者测得飞船长度等于L 【答案】A 【知识点】狭义相对论的两个基本假设、长度收缩效应 【详解】AB．根据狭义相对论的光速不变原理，地面上观测者测得来自飞船电磁波信号的速度等于光速，飞船上观测者测得来自地面电磁波信号的速度等于光速，故A正确，B错误； C．飞船上观测者相对于飞船静止，所以测得飞船长度等于L，故C错误； D．根据狭义相对论的尺缩原理可知，地面上观测者测得飞船长度小于L，故D错误。 故选A。 6．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 【知识点】长度收缩效应 【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。 7．A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上，B、C分别放在以速度和朝相反方向飞行的飞行器中，且，地面上观察者认为走得最快和最慢的时钟分别是（　　） A．B和C B．A和C C．B和A D．C和A 【答案】B 【知识点】长度收缩效应 【详解】根据狭义相对论的时间膨胀公式得，A钟静止于地面（速度），其时间进程最快，因为分母为1，；B钟和C钟的速度分别为和，且。速度越大，分母越小，越大，表明时间进程越慢。因此，C钟速度最大，走得最慢。 故选B。 题型 3 时间延缓效应 8．如图所示，有三个完全相同的时钟，时钟A放在地面上，时钟B、C分别放在两个火箭上，以速度vB和vC朝同一方向飞行，vB<vC。对于地面上的观察者来说，则走得最慢是（　　） A．时钟A B．时钟B C．时钟C 【答案】C 【知识点】时间延缓效应 【详解】根据相对论的时空观，运动的时钟变慢，其实质是指在相对论中每位观察者都有自身的时间测度，即如果一时钟在天空高速飞驰，对静止不动的观察者来说似乎时钟的时间走得慢了。时钟飞驰得越快，时钟的时间走得越慢。因C速度最大，则C时钟最慢。 故选C。 9．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 【知识点】相对论速度变换公式 【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。 题型 4 相对论速度变换公式 10．一粒子以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 【知识点】相对论速度变换公式 【详解】由相对论速度变换公式得 故选D。 11．假设一空间站相对地球静止在太空中，一宇宙飞船甲相对空间站以速度从空间站飞过，宇宙飞船乙相对空间站以速度与宇宙飞船甲反方向飞行。求：（计算结果保留2位有效数字） （1）以宇宙飞船甲为参考系乙的速度为多大？ （2）以宇宙飞船乙为参考系甲的速度为多大？ 【答案】（1）；（2） 【知识点】相对论速度变换公式 【详解】（1）取甲飞行的方向为正，甲相对空间站的速度为，乙相对空间站的速度为，则以甲为参考系乙的速度为 （2）同理以乙为参考系甲的速度大小为 12．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 【知识点】相对论速度变换公式 【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。 题型 5 相对论质量 13．以地面为参照系，宇航员在地面上的质量为 m0，在核心舱内的质量为 m，已知核心舱相对地面的飞行速度为 v，如果只考虑狭义相对论效应，则 m 和 m0 的关系正确的是（    ） A． B． C． D． 【答案】D 【知识点】相对论质量 【详解】根据爱因斯坦的狭义相对论公式，运动物体质量随速度的增大而增大，则有 故选D。 14．（1）在高速运动问题中，物体的质量还是恒定不变的吗？( ) （2）相对论中，物体的质量与速度的关系式：m= 。 【答案】 见解析 【知识点】相对论质量 【详解】（1）[1]在高速运动问题中，物体的质量不是恒定不变，随速度的增大而变大。 （2）[2]相对论中，物体的质量与速度的关系式 15．根据狭义相对论的两个基本假设，下列推论正确的是（　　） A．运动的时钟变慢 B．运动的时钟变快 C．运动的尺子变长 D．物体的质量随速度的增加而减小 【答案】A 【知识点】相对论质量 【详解】AB．根据 ，运动的时钟变慢，A正确，B错误； C．根据相对论，运动的尺子变短，C错误； D．根据，物体的质量随速度的增加而增大，D错误。 故选A。 16．有关物体的质量与速度的关系的说法，正确的是（　　） A．物体的质量与物体的运动速度无关 B．物体的质量随物体的运动速度增大而增大 C．物体的质量随物体的运动速度增大而减小 D．当物体的运动速度接近光速时，质量趋于零 【答案】B 【知识点】相对论质量 【详解】ABC．由相对论质量公式 可知物体的质量随速度的增大而增大,故B正确，AC错误； D．当物体的运动速度接近光速时，质量趋于无限大，故D错误。 故选B。 题型 6 经典相对性原理 17．关于量子力学说法正确的是（　　） A．海森堡和玻恩等人对玻尔的氢原子理论进行了推广和改造 B．波动力学和矩阵力学在数学上是不等价的 C．量子力学就是“早期量子论” D．量子力学能够解决微观世界的物理问题 【答案】AD 【知识点】经典相对性原理 【详解】A．1925年，德国物理学家海森堡和玻恩等人对玻尔的氢原子理论进行了推广和改造，使之可以适用于更普遍的情况，建立了矩阵力学理论，故A正确； B．波动力学和矩阵力学，在数学上是等价的，它们是同一种理论的两种表达方式，故B错误； C．量子力学并不是早期的量子论，而是基础于旧量子论发展起来的一套更完善的理论体系，故C错误； D．量子力学是统一描述微观世界物理规律的普遍性理论，故D正确。 故选AD。 18．时间延缓效应 如果相对于地面以v运动的惯性参考系上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，那么两者之间的关系是，由于，所以总有，此种情况称为 ． 【答案】时间延缓效应 【知识点】经典相对性原理 【详解】如果相对于地面以v运动的惯性参考系上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Δτ，地面上的人观察到该物体完成这个动作的时间间隔为Δt， 那么两者之间的关系是，这种现象称为时间延缓效应。 19．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 【知识点】经典相对性原理 【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。 20．下列关于牛顿力学和相对论的说法正确的是（　　） A．牛顿力学只适用于宏观世界中做低速运动的物体 B．相对论的出现，使牛顿力学失去了意义 C．相对论认为时间和空间并不是相互独立的 D．狭义相对论的其中一个基本假设是在不同的惯性参考系中，测得的真空中的光速不相同 【答案】AC 【知识点】经典相对性原理 【详解】A．牛顿力学只适用于宏观世界中做低速运动的物体，故A正确； B．相对论的出现，并没有否定经典物理学，经典物理学是相对论在低速运动条件下的特殊情形，故B错误； C．相对论认为时间和空间与物质的运动状态有关，它们之间是相互联系的，不是相互独立的，故C正确； D．狭义相对论的其中一个基本假设是在不同的惯性参考系中，测得的真空中的光速相同，故D错误。 故选AC。 题型 7 狭义相对论的两个基本假设 21．一列火车在前进中，车头和车尾各遭到一次闪电轰击。据车上的一个观察者测定，这两次轰击是同时发生的。则车上的观察者位于 （A．车前部B．车正中C．车后部，选填“”、“”或“”），对于铁路边地面上观察者来说， （A．车头先B．车尾先C．头尾同时，选填“”、“”或“”）受到轰击。 【答案】 B B 【知识点】狭义相对论的两个基本假设 【详解】[1]由于车上的观察者测定两次轰击是同时发生的，根据光速不变原理，说明观察者在火车的中间。 故选B。 [2]在地面观察者看来，闪电发出的同时，车也向前运动，故车尾先遭到轰击。 故选B。 22．下列说法正确的是（    ） A．牛顿提出了万有引力定律，并用实验测出了万有引力常量 B．楞次发现电磁感应现象，并认为穿过线圈的磁通量越大，感应电动势就越大 C．爱因斯坦提出了狭义相对论，认为真空中的光速在所有惯性参考系中都是恒定的 D．麦克斯韦提出了电磁场理论，认为电磁波和机械波一样，它们的传播需要介质 【答案】C 【知识点】物理学史、狭义相对论的两个基本假设 【详解】A. 牛顿于1687年提出万有引力定律，但万有引力常量是由卡文迪许在1798年通过扭秤实验测出的，故A错误。 B. 电磁感应现象由法拉第于1831年发现，楞次提出的是楞次定律（感应电流方向规律）。由法拉第电磁感应定律，感应电动势大小取决于磁通量变化率，而非磁通量大小本身。故B错误。 C. 爱因斯坦于1905年提出狭义相对论，其基本假设之一为光速不变原理：真空中的光速在所有惯性参考系中恒定，且与光源运动无关，故C正确。 D. 麦克斯韦于1860年代提出电磁场理论并预言电磁波，但电磁波传播无需介质（真空中可传播），而机械波（如声波）需介质。故D错误。 故选C。 23．1905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 【知识点】狭义相对论的两个基本假设 【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。 24．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 【知识点】狭义相对论的两个基本假设 【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。 题型 8 宇宙起源和恒星演化 25．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 【知识点】宇宙起源和恒星演化 【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。 26．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 【知识点】宇宙起源和恒星演化 【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。 27．人类对宇宙的探索已经有很长的历史。从2300多年前我国战国时期的思想家尸佼给出了宇宙的定义到广义相对论建立之后，宇宙学真正成为了现代科学意义上的一门学科。1929年，美国天文学家哈勃通过对大量星系的观测发现，银河系外的绝大部分星系都在 （选填：A．靠近  B．远离）我们，据此，科学家提出了 宇宙学，以解释宇宙的起源。 【答案】 B 爆炸 【知识点】宇宙起源和恒星演化 【详解】[1][2]1929年，美国天文学家哈勃通过对大量星系的观测发现，银河系外的绝大部分星系都在远离我们，据此，科学家提出了爆炸宇宙学，以解释宇宙的起源。 28．太阳的寿命估计为100亿年，目前已度过了约50亿年，当太阳耗尽核燃料后，最终将会演化变成（　　） A．主序星 B．白矮星 C．中子星 D．红巨星 【答案】B 【知识点】宇宙起源和恒星演化 【详解】太阳只是宇宙中一颗普通的恒星，寿命可达100亿年，太阳进入暮年后，会把所有的燃料都耗尽，成为一颗白矮星，最终化为另一种天体存在于宇宙中。 故选B。 题型 9 广义相对论 29．黑洞是存在于宇宙空间中的一种特殊天体。人们可以通过观测黑洞外的另一个天体（也称伴星）的光谱来获取信息。如图所示，若伴星绕黑洞沿逆时针方向做匀速圆周运动，伴星的轨道与地球的视向方向共面。人们在地球上观测到的伴星光谱谱线的波长，式中是光源静止时的谱线波长，为光速，为伴星在地球视向方向的分速度（以地球的视向方向为正方向）。已知引力常量，不考虑宇宙膨胀和黑洞引力导致的谱线波长变化。下列说法正确的是（　　） A．观测到伴星光谱谱线的波长，对应着伴星向靠近地球的方向运动 B．观测到伴星光谱谱线波长的最大值，对应着伴星在图中位置 C．根据伴星光谱谱线波长变化的周期和最大波长可以估测黑洞的密度 D．根据伴星光谱谱线波长变化的周期和最大波长可以估测伴星运动的半径 【答案】AD 【知识点】广义相对论 【详解】A．由于题中规定地球的视向方向为正方向，且，当观测到伴星光谱谱线的波长，表明为负值，则的方向与视向方向相反，即对应着伴星向靠近地球的方向运动，故A正确； B．根据上述可知，若观测到伴星光谱谱线波长的最大值，则的方向与视向方向相同，且该分速度达到最大值，即该位置对应着伴星在图中位置关于黑洞对称的位置，故B错误； C．伴星绕黑洞做圆周运动，由万有引力提供向心力，则有 结合上述可以求出黑洞的质量，但是由于不知道黑洞自身的半径，因此无法求出黑洞的密度，故C错误。 D．根据图像可知，伴星光谱谱线波长变化的周期等于伴星绕黑洞做圆周运动的周期，由于伴星光谱谱线波长的最大值位置对应着伴星在图中位置关于黑洞对称的位置，此时分速度即等于伴星绕黑洞圆周运动的线速度，令最大波长与伴星绕黑洞圆周运动的线速度分别为、，则有，根据线速度与周期的关系有，解得，故D正确； 故选AD。 30．以下属于牛顿力学可以描述的情景是（    ） A．高铁的运动 B．高能粒子加速器中质子的运动 C．原子内核外电子的运动 D．中子星的运动 31．一列高铁过桥时，桥上的观察者认为 （选填“A．高铁”或“B．桥”）变短了，高铁上的观察者认为高铁长度 （选填“A．变长”、“B．变短”或“C．没变”） 32．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）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下列不属于广义相对论证据提( ) A．引力场中的谱线红移    B．水星公转轨道的近日点进动 C．引力场中的时钟变慢    D．物体的运动速度越大，运动质量越大 【答案】30．A 31． A C 32． BD CD 【知识点】广义相对论、狭义相对论的两个基本假设 【解析】30．A．高铁的运动可用牛顿第一以及第二定律解释，故A正确； B．加速器中高能粒子的运动需要用量子物理来解释，故B错误； C．电子的运动在微观尺度上需要用量子力学来解释，故C错误； D．中子星的运动需要用相对论来解释，故D错误。 故选A。 31．[1]根据“尺缩效应”，桥上的观察者以桥为参考系，认为桥不动，高铁在动，故认为高铁变短了。 故选A。 [2]高铁上的观察者以高铁为参考系，认为高铁不动，故认为高铁的长度不变。 故选C。 32．①广义相对论的基本原理是广义相对性原理、质能关系。 故选BD。 ②在广义相对论建立之初，爱因斯坦提出了三项实验检验，一是水星近日点的进动，二是光线在引力场中的弯曲，三是光谱的引力红移；“钟慢效应”和物体运动时的质量比静止时大是狭义相对论的结论。 故选CD。 相对论 33．以下属于牛顿力学可以描述的情景是（　　） A．高铁的运动 B．高能粒子加速器中质子的运动 C．原子内核外电子的运动 D．中子星的运动 34．（1）一列高铁过桥时，桥上的观察者认为( )变短了， A．高铁                 B．桥 （2）高铁上的观察者认为高铁长度( ) A．变长         B．变短         C．没变 （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( ) A．   B． C．    D． 35．（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）下列不属于广义相对论证据的是( ) A．引力场中的谱线红移         B．水星公转轨道的近日点进动 C．引力场中的时钟变慢         D．物体的运动速度越大，运动质量越大 【答案】33．A 34． A C C 35． BD D 【知识点】广义相对论、牛顿力学的成就与局限性、长度收缩效应 【解析】33．A．高铁的运动可用牛顿力学描述，故A正确； B．加高能粒子加速器中质子的运动需要用量子物理来解释，故B错误； C．原子内核外电子的运动在微观尺度上需要用量子力学来解释，故C错误； D．中子星的运动需要用爱因斯坦相对论来解释，故D错误。 故选A。 34．（1）[1]根据“尺缩效应”，桥上的观察者以桥为参考系，认为桥不动，高铁在动，故认为高铁变短了。 故选A。 （2）[2]高铁上的观察者以高铁为参考系，认为高铁不动，故认为高铁的长度没变。 故选C。 （3）[3]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。 35．（1）[1]广义相对论的两大基本原理是广义相对性原理和‌等效原理。广义相对性原理指出，在任何参考系（包括惯性参考系）中，物理规律都是相同的。等效原理则认为，一个均匀引力场与一个做匀加速运动的参考系是等价的‌。 故选BD。 （2）[2]引力场中的谱线红移、水星公转轨道的近日点进动和引力场中的时钟变慢均属于属于广义相对论证据；物体的运动速度越大，运动质量越大属于狭义相对论证据。 故选D。 36．按照爱因斯坦的广义相对论，下列说法中正确的是（　　） A．天体之间的引力作用是时空弯曲的表现 B．光线经过太阳附近时会发生弯曲 C．氢原子发射的光从太阳传播到地球时，它的频率要比地球上氢原子发射的光的频率低 D．光在真空中任何情况下都是沿直线传播的 【答案】ABC 【知识点】广义相对论 【详解】A．根据广义相对论，天体之间的引力作用是时空弯曲的表现，故A正确； BD．根据广义相对论，物质的引力能够使光线弯曲，故B正确，D错误； C．根据广义相对论，引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别，太阳上氢原子发射的光的频率比地球上氢原子发射的光的频率低，故C正确。 故选ABC。 2 1 学科网（北京）股份有限公司 $