第一节 牛顿力学的局限性（分层作业）物理沪科版必修第二册

**基本信息** 聚焦牛顿力学局限性，通过基础认知、理解深化、综合应用三层设计，实现从概念辨析到实际情境应用的知识巩固路径，培养物理观念与科学思维。 **分层设计** |层次|知识覆盖|设计特色| |----|----------|----------| |基础认知|牛顿力学适用范围、基本概念|单选题直接考查低速/宏观适用条件，如第3题判断μ子高速运动是否适用| |理解深化|经典与现代物理对比、概念辨析|多选题（第12题）辨析经典力学局限性及质量观| |综合应用|天体运动、相对论初步、实际问题计算|结合天问一号、哈雷彗星等情境，如第17题计算火星表面重力加速度，体现科学态度与责任|

第一节 牛顿力学的局限性 一、单选题 1．下列说法正确的是（　　） A．对于宏观物体的低速运动问题，相对论、量子力学与经典力学是一致的 B．经典力学不适用于高速运动的物体，但适用于微观世界 C．洲际导弹的速度有时可达到6000m/s，这一速度属于相对论中的高速 D．质量是物体的固有属性，任何时候都不会变 2．牛顿力学是近代物理学的基础，因此牛顿被认为是最伟大的物理学家之一。但是牛顿力学在某些领域不再适用，或者说牛顿力学也有一定的局限性。下列选项不适用牛顿力学的是（　　） A．低速 B．宏观 C．参数远小于1的地球引力场 D．参数接近于1的黑洞 3．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．μ子以0.7倍的光速运动 C．东风-41导弹在空中飞行 D．辽宁号航母在大海上航行 4．下列说法中正确的是（　　） A．牛顿力学适用于任何情况下的任何物体 B．量子力学能够很好地描述微观粒子运动的规律 C．相对论只适用于高速运动的物体 D．牛顿力学也适用于微观粒子的运动 5．下列说法正确的是（　　） A．伽利略提出了日心说 B．牛顿发现万有引力定律并测出引力常量 C．开普勒总结出了行星运动的三大规律 D．经典力学既适用于宏观世界，也适用于微观世界 6．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．牛顿首次在实验室中比较准确地测出了引力常量G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 7．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 8．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 9．下列关于物理学思想方法和物理学史的叙述错误的是（　　） A．探究加速度与力和质量关系的实验和合力分力关系的实验中都运用了控制变量法 B．时的平均速度可看成瞬时速度运用了极限思想法 C．牛顿力学不适用于微观、高速运动的物体 D．速度为0.7c的飞船上观察地面上的物体长度为L，则物体的实际长度比L长 10．如图所示，有一辆沿水平面向左做直线运动的小车，车内水平地板光滑。地板上有一个滑块，其左端由一根轻质弹簧与车内左壁相连，右端由一根细绳与车内右壁相连。初始时，弹簧处于拉伸状态，绳子上有张力。现将绳子突然剪断，则下列说法错误的有（    ） A．若小车做匀速直线运动，以小车为参考系，剪断绳子后，弹簧和滑块系统机械能守恒 B．若小车做匀加速直线运动，以小车为参考系，剪断绳子后，弹簧和滑块系统机械能守恒 C．若小车做匀速直线运动，以地面为参考系，剪断绳子后，弹簧和滑块系统机械能守恒 D．若小车做匀加速直线运动，以地面为参考系，剪断绳子后，弹簧和滑块系统机械能守恒 11．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 二、多选题 12．以下说法正确的是（    ） A．经典力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用 B．经典力学理论具有一定的局限性 C．在经典力学中，物体的质量不随运动状态改变而改变 D．相对论和量子力学否定了经典力学理论 三、综合题 宇宙探索 人类从诞生开始，无数科学家前赴后继揭开了宇宙演化的部分神秘面纱，而如暗物质、暗能量等这些未解之谜有待人们进一步的探索。 13．关于科学家对宇宙探索做出贡献的叙述中正确的是（　　） A．牛顿提出了“日心说”，并且发现了万有引力定律 B．第谷观测了行星的轨道数据，提出了行星运动三大定律 C．伽利略利用扭秤装置和微小放大法，较准确地测出引力常量G D．哈勃观测到遥远恒星的光谱红移现象，提出宇宙正在膨胀 14．宇航员乘坐星际飞船高速驶离地球的过程中，在考虑相对论效应的情况下，宇航员发现（　　） A．.星际飞船的长度变短 B．星际飞船上的物体的质量变大 C．地球上的时钟变慢 D．地球上有些建筑物的高度不变 15．（简答）从物理学角度，由地面发射太空飞行器或飞船，可以借助地球自转选择_______发射（选填“向东”或“向西”）；我国先后建成了酒泉、太原、西昌、文昌四大航天发射中心，它们的纬度依次为北纬41°、38°、28°、19°，请分析选择哪个发射场较好？_______ 16．如图是“哈雷彗星”绕太阳沿椭圆轨道运动的示意图，其中F1、F2是椭圆的两个焦点，O是椭圆的中心，观测发现“哈雷彗星”经过P点的速率小于经过Q点的速率。已知太阳的质量为m，引力常量为G，则： ①太阳应位于_______（选填：A．“F1点”；B．“F2点”；C． “O点”）； ②测得“哈雷彗星”在距离太阳r1处的运行速度大小为v1，则在距离太阳r2处的运行速度大小v2＝________。 ③根据广义相对论可知，“哈雷彗星”在________由空间弯曲产生较明显的进动，其“携带”的时钟在_______走得较慢。（均选填：A．“P点”；B．“Q点”）。 17．火星探测 2021年2月10日19时52分，我国首次火星探测任务“天问一号”探测器实施近火捕获制动，成功实现环绕火星运动。火星质量用M表示，“天问一号”探测器质量用m表示，万有引力常量为G。 (1)将“天问一号”环绕火星的运动视作匀速圆周运动。 ①“天问一号”处于______（选填：A“平衡”  B．“非平衡”）状态，运动过程中动能______（选填：A．“变化”  B．“不变”）； ②当“天问一号”绕火星以半径为r做圆周运动时，其所受火星的万有引力大小为______，线速度大小为______（用已知物理量的字母表示）。 (2)“祝融号”火星车承担着在火星表面的探测任务。车上有一个“”型支架如图所示，支架脚与水平面夹角。支架上放置了火星表面重力为20.0N的设备，则每个支架脚所受压力为______N，若增大，则每个支架脚所受压力______（选填：A．“变大” B．“变小”）。 (3)（计算）在距离火星表面1.86m的位置将一小石块以4.96m/s的初速度水平抛出，经1s落到火星表面，不计气体阻力和火星表面的高低起伏变化。求： ①火星表面该处的重力加速度g的大小； ②第1s末小石块速度v的大小； ③石块水平抛出的同时，在其正上方1m处静止释放一小物块，物块与石块落到火星表面上的时间差。 (4)未来某年A乘坐速度为0.2c（c为光速）的宇宙飞船跟随正前方的B，B的飞行器速度为0.4c，A向B发出一束光进行联络。B观测到该光束的传播速度（　　） A．大于c B．等于c C．小于c 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $ 第一节 牛顿力学的局限性 一、单选题 1．下列说法正确的是（　　） A．对于宏观物体的低速运动问题，相对论、量子力学与经典力学是一致的 B．经典力学不适用于高速运动的物体，但适用于微观世界 C．洲际导弹的速度有时可达到6000m/s，这一速度属于相对论中的高速 D．质量是物体的固有属性，任何时候都不会变 【答案】A 【详解】A．在宏观物体的低速运动（）条件下，相对论和量子力学的预测会退化为经典力学的结论，例如相对论在低速下近似牛顿定律，量子力学在宏观尺度下可忽略量子效应，三者一致，A正确； B．经典力学适用于宏观物体的低速运动，但不适用于微观世界（如原子尺度），微观世界需用量子力学描述；经典力学对高速运动不适用，对微观世界也不适用，B错误； C．相对论中的高速通常指接近光速（），而洲际导弹速度仅为光速的，属于低速，C错误； D．在相对论中，物体的质量随速度变化 （其中为静质量），并非任何时候都不变，D错误。 故选A。 2．牛顿力学是近代物理学的基础，因此牛顿被认为是最伟大的物理学家之一。但是牛顿力学在某些领域不再适用，或者说牛顿力学也有一定的局限性。下列选项不适用牛顿力学的是（　　） A．低速 B．宏观 C．参数远小于1的地球引力场 D．参数接近于1的黑洞 【答案】D 【详解】AB．牛顿经典力学只适用于宏观低速物体，故AB所述情况适用牛顿力学，故AB不符合题意； CD．根据万有引力提供向心力可得 则 当时，物体处于低速运动，故牛顿力学适用，当接近1时，物体运动速度接近光速，或引力场极强，牛顿力学不再适用，故D符合题意，C不符合题意。 故选D。 3．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．μ子以0.7倍的光速运动 C．东风-41导弹在空中飞行 D．辽宁号航母在大海上航行 【答案】B 【分析】经典力学的适用范围为宏观物体、低速（远小于光速）运动，不适用于微观粒子或速度接近光速的运动场景。 【详解】A．复兴号列车是宏观物体，行驶速度远低于光速，经典力学适用，故A错误； B．μ子属于微观粒子，且运动速度达0.7倍光速，接近光速，相对论效应显著，经典力学不适用，故B正确； C．东风-41导弹是宏观物体，飞行速度远低于光速，经典力学适用，故C错误； D．辽宁号航母是宏观物体，航行速度远低于光速，经典力学适用，故D错误。 故选B。 4．下列说法中正确的是（　　） A．牛顿力学适用于任何情况下的任何物体 B．量子力学能够很好地描述微观粒子运动的规律 C．相对论只适用于高速运动的物体 D．牛顿力学也适用于微观粒子的运动 【答案】B 【详解】A．牛顿力学仅适用于宏观、低速、弱引力的场景，并非适用于任何情况的任何物体，故A错误； B．量子力学的研究对象为微观粒子，能够很好地描述微观粒子运动的规律，故B正确； C．相对论既适用于高速运动的物体，也适用于低速运动的物体，仅在低速场景下相对论效应极不明显，和牛顿力学结论几乎一致，并非只适用于高速物体，故C错误； D．牛顿力学仅适用于宏观物体的运动，微观粒子的运动需要用量子力学描述，牛顿力学不适用，故D错误。 故选B。 5．下列说法正确的是（　　） A．伽利略提出了日心说 B．牛顿发现万有引力定律并测出引力常量 C．开普勒总结出了行星运动的三大规律 D．经典力学既适用于宏观世界，也适用于微观世界 【答案】C 【详解】A．日心说是哥白尼提出的，伽利略通过天文观测支持了日心说，并非伽利略提出，故A错误； B．牛顿发现了万有引力定律，但引力常量是卡文迪许通过扭秤实验测出的，故B错误； C．开普勒在第谷的行星观测数据基础上，总结得出了行星运动的三大规律，故C正确； D．经典力学仅适用于宏观、低速的物理场景，不适用于微观世界，故D错误。 故选C。 6．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．牛顿首次在实验室中比较准确地测出了引力常量G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】A 【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，总结得出了万有引力定律，故A正确； B．首次在实验室中比较准确地测出引力常量G数值的科学家是卡文迪什，不是牛顿，故B错误； C．根据天王星的观测资料，利用万有引力定律计算出海王星轨道的是亚当斯和勒威耶，并非哈雷，故C错误； D．经典力学在低速、宏观的场景下仍然适用，相对论指出了经典力学在高速运动和强引力场情况下的局限性，并未完全否定经典力学的价值，故D错误。 故选A。 7．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 【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。 8．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 【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。 9．下列关于物理学思想方法和物理学史的叙述错误的是（　　） A．探究加速度与力和质量关系的实验和合力分力关系的实验中都运用了控制变量法 B．时的平均速度可看成瞬时速度运用了极限思想法 C．牛顿力学不适用于微观、高速运动的物体 D．速度为0.7c的飞船上观察地面上的物体长度为L，则物体的实际长度比L长 【答案】A 【详解】A．探究合力分力关系时使用等效替代法，故A说法错误，符合题意； B．当时，平均速度的极限即为瞬时速度，运用了极限思想，故B说法正确，不符合题意； C．牛顿力学适用于宏观低速，不适用于微观高速，故C说法正确，不符合题意； D．根据相对论长度收缩公式，飞船速度为0.7c时，观察长度小于实际长度，故D说法正确，不符合题意。 故选A。 10．如图所示，有一辆沿水平面向左做直线运动的小车，车内水平地板光滑。地板上有一个滑块，其左端由一根轻质弹簧与车内左壁相连，右端由一根细绳与车内右壁相连。初始时，弹簧处于拉伸状态，绳子上有张力。现将绳子突然剪断，则下列说法错误的有（    ） A．若小车做匀速直线运动，以小车为参考系，剪断绳子后，弹簧和滑块系统机械能守恒 B．若小车做匀加速直线运动，以小车为参考系，剪断绳子后，弹簧和滑块系统机械能守恒 C．若小车做匀速直线运动，以地面为参考系，剪断绳子后，弹簧和滑块系统机械能守恒 D．若小车做匀加速直线运动，以地面为参考系，剪断绳子后，弹簧和滑块系统机械能守恒 【答案】B 【详解】A．若小车做匀速直线运动，以小车为参考系（惯性系）：地板光滑，滑块仅受弹簧的弹力（内力），绳子剪断后无其他外力做功。因此，弹簧和滑块系统只有弹力做功，机械能守恒，A正确； B．若小车做匀加速直线运动，以小车为参考系（非惯性系）：滑块会受到惯性力作用。剪断绳子后，惯性力会对滑块做功，即有除弹力外的其他力做功，因此机械能不守恒，B错误； C．若小车做匀速直线运动，以地面为参考系（惯性系）：地板光滑，滑块仅受弹簧弹力，绳子剪断后无其他外力做功。弹簧和滑块系统只有弹力做功，机械能守恒，C正确； D．若小车做匀加速直线运动，以地面为参考系（惯性系）：小车左壁对弹簧的作用力属于系统外力（弹簧是轻质的，质量为0，外力做功为0），滑块仅受弹簧弹力，无其他外力做功。因此，弹簧和滑块系统只有弹力做功，机械能守恒，D正确。 故选B。 11．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 【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。 二、多选题 12．以下说法正确的是（    ） A．经典力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用 B．经典力学理论具有一定的局限性 C．在经典力学中，物体的质量不随运动状态改变而改变 D．相对论和量子力学否定了经典力学理论 【答案】BC 【详解】AB．经典力学理论具有一定的局限性，它只适用于低速、宏观物体的运动，A错误，B正确； C．在经典力学中，物体的质量不随运动状态的改变而改变，即物体的质量和物体运动的速度无关，C正确； D．相对论和量子力学并没有否定过去的科学，而是认为经典力学理论是在一定条件下的特殊情形，D错误。 故选BC。 三、综合题 宇宙探索 人类从诞生开始，无数科学家前赴后继揭开了宇宙演化的部分神秘面纱，而如暗物质、暗能量等这些未解之谜有待人们进一步的探索。 13．关于科学家对宇宙探索做出贡献的叙述中正确的是（　　） A．牛顿提出了“日心说”，并且发现了万有引力定律 B．第谷观测了行星的轨道数据，提出了行星运动三大定律 C．伽利略利用扭秤装置和微小放大法，较准确地测出引力常量G D．哈勃观测到遥远恒星的光谱红移现象，提出宇宙正在膨胀 14．宇航员乘坐星际飞船高速驶离地球的过程中，在考虑相对论效应的情况下，宇航员发现（　　） A．.星际飞船的长度变短 B．星际飞船上的物体的质量变大 C．地球上的时钟变慢 D．地球上有些建筑物的高度不变 15．（简答）从物理学角度，由地面发射太空飞行器或飞船，可以借助地球自转选择_______发射（选填“向东”或“向西”）；我国先后建成了酒泉、太原、西昌、文昌四大航天发射中心，它们的纬度依次为北纬41°、38°、28°、19°，请分析选择哪个发射场较好？_______ 16．如图是“哈雷彗星”绕太阳沿椭圆轨道运动的示意图，其中F1、F2是椭圆的两个焦点，O是椭圆的中心，观测发现“哈雷彗星”经过P点的速率小于经过Q点的速率。已知太阳的质量为m，引力常量为G，则： ①太阳应位于_______（选填：A．“F1点”；B．“F2点”；C． “O点”）； ②测得“哈雷彗星”在距离太阳r1处的运行速度大小为v1，则在距离太阳r2处的运行速度大小v2＝________。 ③根据广义相对论可知，“哈雷彗星”在________由空间弯曲产生较明显的进动，其“携带”的时钟在_______走得较慢。（均选填：A．“P点”；B．“Q点”）。 【答案】13．D 14．C 15． 向东 文昌 16． F2 Q点 P点 【解析】13．A．哥白尼提出了日心说，牛顿发现了万有引力定律，故A错误； B．第谷观测出了行星的轨道数据，伽利略总结出了行星运动三大定律，故B错误； C．卡文迪许利用扭秤装置和微小形变放大思想，比较准确地测出了引力常量，故C错误； D．哈勃观测到遥远恒星的光谱的红移现象，提出宇宙正在膨胀，故D正确； 故选D。 14．根据狭义相对论可知，地面上某一事件所对应的时间流逝变慢了，地面上某一物体的长度变小，飞船的长度和质量不变。 故选C。 15．[1]地球的自转方向是自西向东，利用惯性，飞船可以向东发射； [2]为了最大限度地利用地球的自转速度，在赤道或赤道附近，地球的线速度越大，则选择文昌发射基地较好。 16．① “哈雷彗星”经过P点的速率小于经过Q点的速率，则太阳位于F2点； ②根据开普勒第二定律可知 则 ③[1][2]太阳位于F2点，根据广义相对论可知，“哈雷彗星”在Q点由空间弯曲产生较明显的进动，“哈雷彗星”在P点的速率较小，则“携带”的时钟走得较慢。 17．火星探测 2021年2月10日19时52分，我国首次火星探测任务“天问一号”探测器实施近火捕获制动，成功实现环绕火星运动。火星质量用M表示，“天问一号”探测器质量用m表示，万有引力常量为G。 (1)将“天问一号”环绕火星的运动视作匀速圆周运动。 ①“天问一号”处于______（选填：A“平衡”  B．“非平衡”）状态，运动过程中动能______（选填：A．“变化”  B．“不变”）； ②当“天问一号”绕火星以半径为r做圆周运动时，其所受火星的万有引力大小为______，线速度大小为______（用已知物理量的字母表示）。 (2)“祝融号”火星车承担着在火星表面的探测任务。车上有一个“”型支架如图所示，支架脚与水平面夹角。支架上放置了火星表面重力为20.0N的设备，则每个支架脚所受压力为______N，若增大，则每个支架脚所受压力______（选填：A．“变大” B．“变小”）。 (3)（计算）在距离火星表面1.86m的位置将一小石块以4.96m/s的初速度水平抛出，经1s落到火星表面，不计气体阻力和火星表面的高低起伏变化。求： ①火星表面该处的重力加速度g的大小； ②第1s末小石块速度v的大小； ③石块水平抛出的同时，在其正上方1m处静止释放一小物块，物块与石块落到火星表面上的时间差。 (4)未来某年A乘坐速度为0.2c（c为光速）的宇宙飞船跟随正前方的B，B的飞行器速度为0.4c，A向B发出一束光进行联络。B观测到该光束的传播速度（　　） A．大于c B．等于c C．小于c 【答案】(1) B B (2) 11.5N B (3)①；②6.2m/s；③0.24s (4)B 【详解】（1）①[1]“天问一号”环绕火星做匀速圆形运动，处于非平衡状态。 故选B。 [2]运动过程中，“天问一号”的速度大小不变，则动能不变。 故选B。 ②[3]当“天问一号”绕火星以半径为r做圆周运动时，其所受火星的万有引力大小为 [4]根据万有引力提供向心力可得 解得线速度大小为 （2）[1]根据受力平衡可得 其中 解得每个支架脚所受压力为 [2]若增大，则变小，变大，每个支架脚所受压力变小。 故选B。 （3）①小石块竖直方向分运动是自由落体运动，则有 解得火星表面该处的重力加速度大小为 ②第1s末小石块的竖直分速度为 则第1s末小石块速度的大小为 ③物块做自由落体运动，则有 解得 则物块与石块落到火星表面上的时间差为 （4）根据光速不变原理可知，B观测到该光束的传播速度等于c。 故选B。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $