7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性【重难突破系列】讲义 -2026-2027学年高一下学期物理人教版必修第二册

专题讲义 人教版高中物理必修第二册 人教版·高中物理必修第二册 7.5　相对论时空观与牛顿力学的局限性【单元复习】 （解析版） 人教版高中物理必修第二册　|　第七章《万有引力与宇宙航行》　|　单元复习提优　|　建议用时 45 分钟　|　难度：★★★☆☆ ▎学习目标 1．了解牛顿力学的巨大成就及其适用范围：牛顿力学在宏观、低速、弱引力领域极其成功；知道它有三条边界——高速（接近光速）须用狭义相对论、微观粒子须用量子力学、强引力场须用广义相对论；理解经典（绝对）时空观，并知道 v≪c 时相对论力学与牛顿力学结论一致，牛顿力学是相对论力学在低速下的近似。 2．掌握狭义相对论的两条基本假设：相对性原理（在不同惯性系中物理规律形式相同）与光速不变原理（真空中光速 c 在一切惯性系中相同，约 3×10⁸ m/s，与光源、观察者的运动无关）。 3．理解相对论时空观的定性结论：同时的相对性、时间延缓（动钟变慢）、长度收缩（动尺变短，只沿运动方向）；知道相对论质量 m＝m₀/，一切有质量物体的速度都不能达到光速 c。 4．初步了解广义相对论：物质（引力）使周围时空弯曲，由此预言光线偏折、引力透镜、引力波与黑洞；认识北斗卫星原子钟的相对论修正、μ子穿越大气层等实证，体会相对论从思辨走向工程与观测前沿。 【思维导图】 相对论时空观与牛顿力学局限性 成就与适用范围 宏观·低速·弱引力极成功 天体运行与工程技术广泛应用 经典时空观：时空独立于物质运动 相对论时空观与牛顿力学局限性 三大局限 高速近c→狭义相对论 微观粒子→量子力学 强引力致密天体→广义相对论 相对论时空观与牛顿力学局限性 两条基本假设 相对性原理·惯性系规律相同 光速不变·真空光速c与光源无关 相对论时空观与牛顿力学局限性 时空观与前沿 同时相对·动钟变慢·动尺收缩 m＝m₀/·有质量物体不达c 时空弯曲·引力透镜·引力波·黑洞 考点一　牛顿力学的成就、适用范围与经典时空观 1．牛顿力学的成就：牛顿力学以牛顿运动定律和万有引力定律为基础，在宏观、低速、弱引力的广阔领域——从物体的下落、车辆的行驶，到天体的运行、卫星的发射与回收——取得了巨大成功，是天文学、机械、土木、交通等工程技术的理论基础。哈雷依据万有引力定律成功预言哈雷彗星的“按时回归”，就是牛顿力学成就的典范。 2．牛顿力学的适用范围：牛顿力学只适用于宏观物体的低速（与光速相比）运动，并且是在弱引力场中建立起来的。它有三条明确的边界：①当物体运动速度接近真空中的光速 c 时，必须用狭义相对论；②当研究对象是电子、质子等微观粒子时，必须用量子力学；③当天体引力很强（如致密星体、黑洞）或研究宇宙大尺度结构时，必须用广义相对论。 表1　牛顿力学与相对论、量子力学的适用范围对比 理论 适用范围 边界与对应理论 牛顿力学 宏观、低速、弱引力 高速／微观／强引力均不适用 狭义相对论 高速运动（接近光速 c） 低速 v≪c 时退化为牛顿力学 量子力学 分子、原子、基本粒子等微观世界 宏观尺度量子效应可忽略 广义相对论 强引力场、宇宙大尺度结构 弱引力时近似牛顿引力理论 3．经典（绝对）时空观：牛顿力学建立在经典时空观之上：时间均匀流逝、与任何外界事物无关，空间像一个不动的空架子、与物质运动无关；时间与空间彼此独立。这种时空观在宏观低速下与日常经验一致，但在高速、强引力条件下不再成立。 ▎重难诠释 ①“相对论否定了牛顿力学”是常见误区：相对论与量子力学并没有否定牛顿力学，而是把它作为自己在宏观、低速条件下的特殊情形（近似）包含在内； ②判断能否用牛顿力学，就抓三点——是否宏观、是否低速（远小于光速 c≈3×10⁸ m/s）、是否弱引力； ③10 马赫（约 3.4×10³ m/s）、洲际导弹（约 6×10³ m/s）虽然“快”，但相对光速仍是低速，牛顿力学完全适用； ④牛顿力学是相对论力学在 v≪c 时的近似：v 越接近 c，相对论效应越显著。 考点二　狭义相对论基本假设、相对论时空观与广义相对论初步 1．狭义相对论的两条基本假设：爱因斯坦于 1905 年提出狭义相对论，出发点是两条假设：①相对性原理——在不同的惯性参考系中，一切物理规律的形式都是相同的；②光速不变原理——真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的，约为 c＝3×10⁸ m/s，与光源和观察者的运动状态无关。 2．同时的相对性：在一个惯性系中同时发生的两个事件，在另一个相对它运动的惯性系中看来不一定同时。例如车厢正中央的光源发出闪光，车上的观察者认为光同时到达前后两壁；地面上的观察者却认为，由于车厢向前运动，光先到达后壁、后到达前壁（如图1）。 图1　同时的相对性：车厢中央光源发出闪光，车上观察者认为光同时到达前后壁，地面观察者认为光先到达后壁——“同时”是相对的 3．时间延缓与长度收缩：狭义相对论给出两个重要结论：①时间延缓（动钟变慢）——运动着的时钟变慢，地面观察者测得高速飞船上的时间进程变慢；②长度收缩（动尺变短）——沿运动方向上的长度变短，垂直于运动方向的长度不变。飞船静止时的长度叫固有长度，地面观察者测得的运动长度比固有长度短。卫星导航中的原子钟就必须计入这种相对论修正（如图2）。 图2　前沿实例：北斗三号全球卫星导航系统星座。卫星上的原子钟因高速运动而变慢、因所处引力场更弱而变快，必须同时计入狭义相对论与广义相对论修正才能精确定位——相对论已成为工程实践的一部分 4．相对论质量与速度极限：相对论指出物体的质量随速度增大而增大，m＝m₀/（m₀ 为静止质量）；当 v 接近 c 时质量趋于无穷大，因此一切有质量的物体的速度都不可能达到光速 c。低速 v≪c 时 ≈1，m≈m₀，回到牛顿力学。 5．广义相对论初步：广义相对论认为，物质（引力）使它周围的时空发生弯曲，光线在引力场中会发生偏折。由此预言并被实验证实了一系列现象：引力透镜（星系团使后方星系成像扭曲、出现多重像）、水星近日点进动、引力波（2016 年人类首次直接探测到）以及黑洞——光都无法逃逸的强引力天体（如图3）。 图3　前沿实例：事件视界望远镜（EHT）公布的人类首张黑洞照片——室女座星系团 M87 中心超大质量黑洞及其“阴影”，是广义相对论关于强引力与时空弯曲的直接证据 ▎重难诠释 ①光速不变是“在任何惯性系中真空光速都等于 c”：飞船以 0.9c 追赶向前方发出的光，观察者测到的光速仍是 c，而不是 0.1c 或 1.9c； ②长度收缩只发生在运动方向上：路旁观察者看到车里站着的乘客“变瘦”而不“变矮”； ③动钟变慢是相对的：你看我的钟慢、我看你的钟也慢，这是双方相对匀速运动的对称效应； ④低速时一切相对论效应都极其微小：日常交通工具速度远小于 c，牛顿力学足够精确。 考向一　牛顿力学成就与适用范围（宏观低速弱引力极成功·不否定而作低速近似·经典绝对时空观） 1．牛顿力学的适用范围是（　　） A．适用于宏观物体的低速（与光速相比）运动 B．适用于微观粒子的运动 C．适用于宏观物体的高速（与光速相比）运动 D．适用于受到很强引力作用的物体 【答案】A 【详解】 经典力学有一定的局限性，经典力学只适用于宏观、低速运动、弱相互作用的物体，不适用于高速、微观及强相互作用的物体。所以BCD错误，A正确。 故选：A。 2．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； 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； C．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，牛顿运动定律适用于宏观、低速运动物体，故C正确； 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。 本题选错误的，故选：D。 3．下列说法正确的是（　　） A．我国东风-17高超音速导弹飞行时末端速度可达到10马赫，这一速度属于相对论中的高速 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、相对论中的高速指速度接近真空中的光速c≈3×10⁸ m/s，1马赫约为340m/s，10马赫仅为3400m/s，远小于光速，不属于相对论中的高速范畴，故A错误； B、牛顿发现了万有引力定律，引力常量是卡文迪什通过扭秤实验测出的，故B错误； C、开普勒通过分析第谷的行星观测数据，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、弱引力场景，不适用于微观世界，故D错误。 故选：C。 4．（多选）下列说法正确的是（　　） A．哈雷运用牛顿的万有引力定律，成功推算出哈雷彗星的“按时回归” B．动量守恒定律只适用于宏观世界、低速运动 C．相对论和量子力学分别在微观与高速领域揭示了牛顿力学的局限性 D．牛顿力学适用于宏观世界、低速运动 【答案】AD 【详解】 A.依据万有引力定律，哈雷预测了哈雷彗星的“按时回归”，故A正确； B.动量守恒定律不仅适用于宏观世界、低速运动，还适用于微观、高速运动，故B错误； CD.相对论与量子力学分别在高速与微观领域揭示牛顿力学的局限性，但相对论与量子力学并没有否定牛顿力学理论，牛顿力学理论在宏观世界、低速运动中仍适用，故C错误，D正确。 故选：AD。 5．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，故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，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，故B错误； C、相对论中的高速通常指接近光速，洲际导弹速度6000m/s，仅为光速的=2×10⁻⁵，属于低速，故C错误； D、在相对论中，物体的质量随速度变化m=，并非任何时候都不变，故D错误。 故选：A。 考向二　经典力学三大局限（高速近c→狭义相对论·微观粒子→量子力学·强引力致密天体→广义相对论） 6．下列物理情景中，经典的牛顿力学不再适用的是（　　） A．原子核外电子的运动 B．超音速飞行的歼-20战斗机在空中飞行的运动 C．月球绕地球的运动 D．小明在投篮时，篮球在空中的运动 【答案】A 【详解】 经典的牛顿力学适用于宏观、低速的运动不适用于微观、高速的运动，故A正确，BCD错误。 故选：A。 7．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 【详解】 A、复兴号列车是宏观物体，行驶速度远低于光速，经典力学可以适用，故A错误； B、μ子属于微观粒子，运动速度达0.7倍光速，物体运动接近光速，经典力学不可以适用，故B正确； C、东风-41导弹是宏观物体，飞行速度远低于光速，经典力学可以适用，故C错误； D、辽宁号航母是宏观物体，航行速度远低于光速，经典力学可以适用，故D错误。 故选：B。 8．经典力学是从宏观的、日常的运动中总结出来的。运用经典力学研究下列运动的时间，有误差的是（　　） A．成熟的苹果落地的时间 B．火车过隧道的时间 C．带电粒子在回旋加速器中的运动周期 D．单摆的周期 【答案】C 【详解】 经典力学适用于宏观、低速运动的物体，对于微观、高速运动的物体不适用。选项ABD中的物体均属于宏观、低速运动的物体，经典力学能适用，选项C中的带电粒子在回旋加速器中的运动周期，属于微观、高速运动的物体，经典力学不能适用。故C正确，ABD错误。 故选：C。 9．下列物体的运动，不能在牛顿力学框架下得到解释的是（　　） A．中子星 B．人造卫星 C．飞行的鸟 D．射出的子弹 【答案】A 【详解】 A、中子星具有强引力场，电子运动是高速微观运动，所以不适用于牛顿力学，故A正确； BCD、人造卫星、飞行的鸟、射出的子弹的运动均可用牛顿力学解释，故BCD错误。 故选：A。 10．（多选）经典力学有一定的适用范围和局限性，适用于经典力学描述的运动是（　　） A．子弹的飞行 B．飞船绕地球的运行 C．列车的运行 D．粒子接近光速的运动 【答案】ABC 【详解】 子弹的飞行、飞船绕地球的运行及列车的运行都属于低速运动的物体，经典力学能适用； 而粒子接近光速运动，是高速运动的物体，则经典力学就不再适用。故ABC正确，D错误。 故选：ABC。 考向三　狭义相对论时空观定性判断（两假设·光速不变·同时相对性·动钟变慢·动尺收缩只沿运动方向） 11．1905年爱因斯坦提出了狭义相对论，狭义相对论的出发点是以两条基本假设为前提的，这两条基本假设是（　　） A．相对性原理与光速不变原理 B．运动的时钟变慢与运动的尺子缩短 C．时间间隔的绝对性与空间距离的绝对性 D．同时的绝对性与同时的相对性 【答案】A 【详解】 爱因斯坦对相对论提出的两条基本假设为：相对性和光速不变原理；其他内容均建立在这两点的基础之上，故A正确、BCD错误。 故选：A。 12．如图所示，假设一列火车沿水平轨道接近光速匀速行驶，车厢正中央的光源S发出了一个闪光，车上的人甲和车旁边的人乙进行观察，则（　　） A．甲认为闪光先到达车厢的后壁 B．甲认为闪光先到达车厢的前壁 C．乙认为闪光先到达车厢的后壁 D．乙认为闪光先到达车厢的前壁 【答案】C 【详解】 AB.车厢中的人认为，车厢是个惯性系，光向前向后传播的速度相等，光源在车厢中央，闪光同时到达前后两壁；故AB错误； CD.地面上的人以地面为参考系，光向前向后传播的速度相等，向前传播的路程长些，向后传播的路程短，所以乙认为闪光先到达车厢的后壁，故C正确，D错误。 故选：C。 13．如图所示，甲乘坐速度为0.9c（c为光速）的宇宙飞船追赶正前方的乙，乙的飞行速度为0.5c，乙向甲发出一束光进行联络，则甲观测到该光束的传播速度是多大（　　） A．c B．0.4c C．0.1c D．0.5c 【答案】A 【详解】 在任何参考系中，根据爱因斯坦相对论，光速不变，即光速不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变．所以甲观测到该光束的传播速度为c，故A正确，BCD错误。 故选：A。 14．一枚静止时长度为L的火箭以接近光速的速度从观察者身边掠过，观察者观测到火箭的长度（　　） A．大于L B．小于L C．等于L D．无法确定 【答案】B 【详解】 火箭静止时的长度L为固有长度，是在相对静止参考系中测量的长度，根据狭义相对论的长度收缩效应，当物体相对观察者运动时，观察者测得的运动长度会收缩，公式为l=L 火箭以接近光速运动，v＞0，因此＜1，故运动长度l＜L，故B正确，ACD错误。 故选：B。 15．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v1和v2朝相反方向飞行的飞行器中，且v1＜v2，地面上观察者认为走得最快和最慢的时钟分别是（　　） A．A和B B．A和C C．B和A D．C和A 【答案】B 【详解】 根据狭义相对论的钟慢效应，由公式t=可知，相对于观察者的速度越小，其时间进程越快，地面上钟A的速度为0，它所记录事件的时间间隔最大，即地面上的钟走得最快；相对于观察者时钟C的速度v越大，其上的时间进程越慢，所以C走得最慢，故ACD错误，B正确。 故选：B。 考向四　相对论质量与广义相对论前沿综合（m＝m₀/·有质量物体不达c·引力波/黑洞/μ子/北斗原子钟） 16．科学家2016年2月11日宣布，他们探测到引力波的存在，引力波是实验验证爱因斯坦相对论的最后一块缺失的“拼图”，相对论在一定范围内弥补了牛顿力学的局限性。关于牛顿力学，下列说法正确的是（　　） A．牛顿认为惯性是物体的固有属性，速度大的物体惯性大 B．牛顿力学取得了理论和应用的巨大成就，适用于一切领域 C．牛顿提出并完成著名的“月—地检验”但没有测出万有引力常量 D．两物体间的万有引力总是质量更大的物体受到的万有引力大 【答案】C 【详解】 A．牛顿认为惯性是物体的固有属性，质量大的物体惯性大，故A错误； B．牛顿力学取得了理论和应用的巨大成就，适用于低速、宏观运动，故B错误； C．牛顿提出并完成著名的“月—地检验”但没有测出万有引力常量，是卡文迪什测出了万有引力常量G，故C正确； D．两物体间的万有引力是作用力与反作用力，大小相等，方向相反，故D错误。 故选：C。 17．（多选）低轨卫星为宇宙线的研究提供了重要的平台。宇宙线中的μ子平均寿命很短，科学家发现μ子以0.99c甚至更高的速度飞行。如果不考虑相对论效应，即使以光速运动也不可能穿越大气层，但实际上地面实验室能观察到μ子。在考虑狭义相对论效应时，下列解释合理的是（　　） A．在μ子看来，大气层厚度减小了 B．在μ子看来，大气层厚度增大了 C．在地面观察者看来μ子的寿命变长了 D．在地面观察者看来μ子的寿命变短了 【答案】AC 【详解】 AB.在μ子看来，大气层正以接近光速向自己高速运动。根据狭义相对论的长度收缩效应，运动方向上的长度会发生收缩，所以大气层的厚度会显著减小。这样μ子就能在自己极短的固有寿命内“走完”这段缩短了的距离，到达地面，故A正确，B错误。 CD.在地面观察者看来，高速运动的μ子是一个“运动的时钟”。根据狭义相对论的时间膨胀效应，运动的时钟会变慢，所以μ子的寿命会比它静止时的固有寿命长得多。这延长的寿命，足以让它在穿越大气层后仍能到达地面被观测到，故C正确，D错误。 故选：AC。 18．2021年6月17日，搭载神舟十二号载人飞船的长征二号F遥十二运载火箭成功发射。载人飞船与天和核心舱顺利自主快速交会对接，中国人首次进入自己的空间站。下列说法不正确的是（　　） A．火箭点火发射瞬间，火箭速度为零，加速度不为零 B．火箭发射时，火箭尾部喷出的气体对空气产生一个作用力，空气的反作用力使火箭获得飞行的动力 C．在考虑相对论效应的情况下，空间站上的宇航员发现地球上的时钟变慢 D．宇航员在空间站中可以正常使用弹簧拉力器 【答案】B 【详解】 A.火箭点火发射瞬间，推力大于重力，根据牛顿第二定律F合＝ma，合力不为零，故加速度不为零；而速度是状态量，点火瞬间火箭尚未获得速度，速度为零，故A正确； B.火箭发射的动力来源于火箭尾部喷出的气体对火箭的反作用力，而非空气的反作用力，火箭在真空环境中也能依靠反冲原理获得动力，故B错误； C.根据相对论的时间膨胀效应，相对运动的参考系中，运动的时钟变慢。空间站相对于地球高速运动，宇航员以空间站为参考系，地球处于相对运动状态，因此会发现地球上的时钟变慢，故C正确； D.弹簧拉力器的工作原理是胡克定律F＝kx，弹力大小仅与弹簧的劲度系数和形变量有关，与重力无关，因此在空间站的失重环境中仍可正常使用，故D正确。 本题选择不正确的，故选：B。 19．以下说法正确的是（　　） A．卡文迪什测量出万有引力常量，并提出万有引力定律 B．牛顿证明了地面上苹果受到的重力和地球对月亮的吸引力是同一种力 C．开普勒提出日心说，并指出行星绕太阳转动其轨道为椭圆 D．洲际导弹的速度有时可达到6000m/s，此速度在相对论中属于高速，导弹的质量会明显增大 【答案】B 【详解】 A．卡文迪什测量出万有引力常量，牛顿提出万有引力定律，故A错误； B．牛顿通过著名的“地-月检验”证明了地面上苹果受到的重力和地球对月亮的吸引力是同一种力，故B正确； C．最早提出日心说的是哥白尼，故C错误； D．6000m/s远小于光速3×10⁸ m/s，仍符合经典力学规律，不需要狭义相对论的规律，导弹的质量没有明显变化，故D错误； 故选：B。 20．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．相对论时空观认为运动的时钟会变快，运动的尺子会变长 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 C．经典力学不能适用于“天问一号”宇宙探测器在火星着陆 D．在经典力学中，物体的质量随运动状态改变而改变 【答案】B 【详解】 A.相对论时空观认为，运动的时钟会变慢，即时间延缓效应，同时运动的尺子会变短，即长度收缩效应，故A错误。 B.相对论时空观确实认为，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。这是由于相对论中的同时性的相对性所导致的，故B正确； C.经典力学在宏观、低速、弱引力的领域是适用的，包括“天问一号”宇宙探测器在火星着陆的情况，故C错误； D.在经典力学中，物体的质量是不随运动状态改变而改变的，这是一个基本的物理概念，故D错误。 故选：B。 ★ 重难题型专练（15题）★ （精选高频重难题，覆盖牛顿力学适用范围、三大局限、光速不变与同时相对性、动钟变慢与长度收缩、质速关系及引力波/黑洞/北斗原子钟前沿综合） 21．下列说法中正确的是（　　） A．爱因斯坦的狭义相对论全面否定了牛顿经典力学 B．牛顿经典力学不仅适用于宏观低速运动，也适用于微观粒子的高速运动 C．在一切惯性系中，真空中测得的光速都一样 D．在地面上观察，接近光速飞行的飞船在运动方向上会变长 【答案】C 【详解】 A．狭义相对论不是全盘否定牛顿经典力学，经典力学是低速情形下的近似理论，故A错误； B．牛顿经典力学仅适用于宏观低速运动的物体，不适用于微观粒子的高速运动，故B错误； C．根据狭义相对论的光速不变原理，在一切惯性系中，真空中测得的光速都相同，与光源、观测者的相对运动无关，故C正确； D．根据狭义相对论的长度收缩效应，在地面上观察接近光速飞行的飞船时，飞船在运动方向上的长度会变短，故D错误。 故选：C。 22．如图所示，甲乘坐高速飞船路过某地，对于飞船中的人甲和地面上的人乙，说法正确的是（　　） A．乙向右发射一束光，甲观察到这束光的速度为0.4c B．乙观察到甲的身高变矮 C．甲观察到乙的时间进程变慢 D．乙看到A、B两地同时发生爆炸，则甲观察到A地先发生爆炸 【答案】C 【详解】 A．在任何惯性参考系中，光在真空中的速度都是c，所以甲观察到这束光的速度仍为c，故A错误； B．长度收缩只发生在运动方向上，甲的身高方向与飞船运动方向垂直，所以乙观察到甲的身高不会变化，故B错误； C．根据狭义相对论的时间膨胀效应，在甲的参考系中，乙相对于甲向左运动，因此甲会观测到乙的时间进程变慢，故C正确； D．根据同时的相对性，乙看到 A、B 两地同时爆炸，甲相对于乙向右运动，甲会观察到B地先发生爆炸，故D错误。 故选：C。 23．下列说法正确的是（　　） A．第一宇宙速度是使人造卫星绕地球运动所需的最大发射速度 B．牛顿通过比较月球公转的向心加速度和地球赤道上物体随地球自转的向心加速度，对万有引力定律进行了“月地检验” C．狭义相对论认为，光在一切参考系中的速度都是不相同的 D．一根竹竿沿着竹竿方向高速运动，如果与竿相对静止的人测得竿长是l0，沿着竿的方向，以v相对竿运动的人测得竹竿的长度小于l0 【答案】D 【详解】 A、第一宇宙速度是最小发射速度，也是卫星绕地球做近地圆周运动的最大环绕速度，故A错误； B、月地检验对比的是月球公转的向心加速度和地面附近物体自由下落的重力加速度，并非地球赤道上物体自转的向心加速度，故B错误； C、狭义相对论的光速不变原理：光在一切惯性参考系中速度大小都相等，故C错误； D、根据相对论长度收缩效应：沿运动方向的物体长度会变短。相对竹竿运动的观测者测得的长度 l＜l0，故D正确。 故选：D。 24．下列物理情景中，经典的牛顿力学不再适用的是（　　） A．在天一中学校园观赏樱花的同学 B．射击场上，从枪膛射出的子弹 C．电子以接近光的速度运动 D．体育课上，被小明同学踢出的足球 【答案】C 【详解】 经典牛顿力学的适用条件为：宏观、低速运动的物体，不适用于微观、高速的运动场景。 A、观赏樱花的同学属于宏观物体，运动速度远小于光速，牛顿力学适用，故A正确； B、枪膛射出的子弹为宏观物体，速度远小于光速，牛顿力学适用，故B正确； C、电子是微观粒子，且运动速度接近光速，不属于宏观低速场景，牛顿力学不再适用，故C正确； D、被踢出的足球是宏观物体，运动速度远小于光速，牛顿力学适用，故D正确。 本题选择不再适用的，故选：C。 25．如图所示，沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C．假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上的观测者测定A、C两塔被照亮的顺序是（　　） A．同时被照亮 B．A先被照亮 C．C先被照亮 D．无法判断 【答案】C 【详解】 列车上的观察者看到的是由B出发后经过A和C反射的光，由于列车在这段时间内向C运动靠近C，而远离A，所以C的反射光先到达列车上的观察者，看到C先被照亮。 故选：C。 26．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．地面观察者看到的在0.7c运行的列车上乘客的手表走时更快 C．在不同的惯性参考系中，测得真空中的光速大小依然相同 D．对于地面上静止不动的物体，在不同参考系中测得该物体的长度都是一样的 【答案】C 【详解】 A、牛顿力学适用于低速宏观物体，不适用于微观或高速情况。飞行速度可达到3400m/s，依然属于低速宏观物体，牛顿力学同样适用，故A错误； B、根据狭义相对论的时间膨胀效应，高速运动的物体时间会变慢，地面观察者看到的在0.7c运行的列车上乘客的手表走时更慢，故B错误； C、根据狭义相对论的光速不变原理，真空中光速在不同的惯性参考系中是相同的，故C正确； D、根据尺缩效应，相对论时空观认为运动的尺子会变短，如果物体在地面上静止不动，在相对于地面运动的参考系里面测出物体的长度和在地面上测出物体的长度是不一样的，故D错误。 故选：C。 27．一艘航天器以0.8倍的光速沿如图所示的方向通过AB。地面观测者测得A、B两点距离L1，经过时间t1；航天器驾驶员观测到A、B两点距离L2，经过时间t2。则（　　） A．L1＝L2 B．L1＞L2 C．t1＝t2 D．t1＜t2 【答案】B 【详解】 根据相对论长度公式：L=L₀可知，航天器驾驶员观测到A、B两点距离L2小于地面上人观测的距离L1，即L2＜L1；根据位移与速度的比值即为时间，则地面观测者测得航天器经过A、B两点所用时间t₁=，而航天器驾驶员测得经过A、B两点所用时间t₂=，由于L2＜L1，故t1＞t2，故B正确，ACD错误。 故选：B。 28．在1905年爱因斯坦提出了狭义相对论理论，此理论建立的前提有两个假设条件以及在相对论理论下观察到的不同现象，如果有接近光速运动下的物体时间和空间都会发生相应的变化，下列说法中正确的是（　　） A．在不同的惯性参考系中，一切物体的规律是不同的 B．真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的 C．物体在接近光速运动时，它沿运动方向上的长度会变大 D．狭义相对论只适用于高速运动的物体，不适用于低速运动的物体 【答案】B 【详解】 A、根据相对论的两个基本假设可知，在不同的惯性参考系中，一切物体的规律是相同的，故A错误； B、根据相对论的两个基本假设可知，在不同的惯性参考系中真空中的光速是相同的，故B正确； C、根据长度的相对性关系：L=，可知一个沿自身长度方向运动的物体，其长度总比物体静止时的长度小，故C错误； D、低速运动时，只是高速运动的特殊情况，故相对论在低速运动时仍适用。 故选：B。 29．如图所示，位于教室中央的光源发出一个闪光，闪光照到了教室的前壁和后壁。教室的长度为10m。在平行于教室高速运动的太空飞船上的观察者（　　） A．测得照到前壁的光速度小于c B．观测到飞船上的时间进程比教室慢 C．测得教室的长度小于10m D．观察到光同时到达前、后壁 【答案】C 【详解】 AD．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，光速都是一样的等于c，教室相对于飞船向左运动，则光到前壁的路程变短，光先到达前壁，故AD错误； BC．根据爱因斯坦的时间相对论公式Δt=，可知太空飞船上的观察者认为看到教室中的时钟变慢，即观测到飞船上的时间进程比教室快， 根据长度相对论公式l，l＝l0教室的长度变短小于10m，故B错误，C正确。 故选：C。 30．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】 AB、根据相对论，“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，则地面上静止的观察者观测车内同一站立的乘客体型变瘦，故A正确，B错误； CD、根据相对论，“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，在垂直于运动方向上的长度没有发生变化，则地面上静止的观察者观测车内同一站立的乘客身高不变，故CD错误； 故选：A。 31．下列说法正确的是（　　） A．运动物体的长度（空间距离）跟物体的运动状态有关，物理过程的快慢（时间进程）则无关 B．牛顿力学已经被相对论和量子力学全面否定 C．牛顿力学在微观世界里并不完全适用 D．物理规律在不同的参考系中会发生变化 【答案】C 【详解】 A.根据相对论可知，运动物体的长度（空间距离）跟物体的运动状态有关，物理过程的快慢（时间进程）跟物体的运动状态也有关，故A错误； B.牛顿力学并没有被相对论和量子力学全面否定，牛顿力学仍适用于宏观低速物体的运动，故B错误。 C.牛顿力学在微观世界里并不完全适用，故C正确； D.物理规律在不同的惯性参考系中不会发生变化，故D错误。 故选：C。 32．下列有关相对论时空观和牛顿力学的说法中不正确的是（　　） 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。 33．如图，一列火车沿平直轨道以较快的速度匀速向右行驶，观察者甲静立在车厢中，观察者乙静立在地面上。下列有关观察者的描述正确的是（　　） A．若车厢中央悬挂着一个正在发声的铃铛，在车厢靠近乙的过程中，乙接受到的铃声频率逐渐减小 B．当车速v＝0.9c行驶时，甲测得的车厢长度比乙测得的长 C．若车厢中央有一光源，则乙测得：闪光先到达前壁，后到达后壁 D．由相对论可知，在不同的惯性参考系中，一切物理规律的形式都是不同的 【答案】B 【详解】 A．若车厢中央悬挂着一个正在发声的铃铛，在车厢靠近乙的过程中，根据多普勒效应可知，乙与铃铛的距离减小，乙接受到的铃声频率比铃铛发声的频率大，在车厢匀速靠近乙的过程中乙接受到的铃声频率不变，故A错误； B．根据相对论的长度缩短效应可知，当车速v＝0.9c行驶时，甲测得的车厢长度比乙测得的长，故B正确； C．根据光速不变原理可知，若车厢中央有一光源，则乙测得闪光先到达后壁，后到达前壁，故C错误； D．由相对性原理可知，在不同的惯性参考系中，一切物理规律的形式都是相同的，故D错误。 故选：B。 34．（多选）一艘太空飞船静止时的长度为30m，他以0.6c（c为光速）的速度沿长度方向飞行经过地球，下列说法正确的是（　　） A．飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30m B．地球上的观测者测得该飞船的长度小于30m C．飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度等于c D．地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c 【答案】BC 【详解】 A、飞船上的观测者测得该飞船的长度是静止时的长度，为30m，故A错误； B、飞船以0.6c的速度沿长度方向飞行越过地球，根据相对论尺缩效应分析可知地球上的观测者测得该飞船的长度小于30m，故B正确； CD、根据狭义相对论的光速不变原理，飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度等于c，地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度也等于c，故C正确，D错误。 故选：BC。 35．（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】 根据狭义相对论的假设，真空中光速相对于不同的惯性参考系是相同的，即在任何地方的光速都是c，故BC正确，AD错误。 故选：BC。 重难突破系列　|　人教版高中物理必修二　|　7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 — — 学科网（北京）股份有限公司 $专题讲义 人教版高中物理必修第二册 人教版·高中物理必修第二册 7.5　相对论时空观与牛顿力学的局限性【单元复习】 （原卷版） 人教版高中物理必修第二册　|　第七章《万有引力与宇宙航行》　|　单元复习提优　|　建议用时 45 分钟　|　难度：★★★☆☆ ▎学习目标 1．了解牛顿力学的巨大成就及其适用范围：牛顿力学在宏观、低速、弱引力领域极其成功；知道它有三条边界——高速（接近光速）须用狭义相对论、微观粒子须用量子力学、强引力场须用广义相对论；理解经典（绝对）时空观，并知道 v≪c 时相对论力学与牛顿力学结论一致，牛顿力学是相对论力学在低速下的近似。 2．掌握狭义相对论的两条基本假设：相对性原理（在不同惯性系中物理规律形式相同）与光速不变原理（真空中光速 c 在一切惯性系中相同，约 3×10⁸ m/s，与光源、观察者的运动无关）。 3．理解相对论时空观的定性结论：同时的相对性、时间延缓（动钟变慢）、长度收缩（动尺变短，只沿运动方向）；知道相对论质量 m＝m₀/，一切有质量物体的速度都不能达到光速 c。 4．初步了解广义相对论：物质（引力）使周围时空弯曲，由此预言光线偏折、引力透镜、引力波与黑洞；认识北斗卫星原子钟的相对论修正、μ子穿越大气层等实证，体会相对论从思辨走向工程与观测前沿。 【思维导图】 相对论时空观与牛顿力学局限性 成就与适用范围 宏观·低速·弱引力极成功 天体运行与工程技术广泛应用 经典时空观：时空独立于物质运动 相对论时空观与牛顿力学局限性 三大局限 高速近c→狭义相对论 微观粒子→量子力学 强引力致密天体→广义相对论 相对论时空观与牛顿力学局限性 两条基本假设 相对性原理·惯性系规律相同 光速不变·真空光速c与光源无关 相对论时空观与牛顿力学局限性 时空观与前沿 同时相对·动钟变慢·动尺收缩 m＝m₀/·有质量物体不达c 时空弯曲·引力透镜·引力波·黑洞 考点一　牛顿力学的成就、适用范围与经典时空观 1．牛顿力学的成就：牛顿力学以牛顿运动定律和万有引力定律为基础，在宏观、低速、弱引力的广阔领域——从物体的下落、车辆的行驶，到天体的运行、卫星的发射与回收——取得了巨大成功，是天文学、机械、土木、交通等工程技术的理论基础。哈雷依据万有引力定律成功预言哈雷彗星的“按时回归”，就是牛顿力学成就的典范。 2．牛顿力学的适用范围：牛顿力学只适用于宏观物体的低速（与光速相比）运动，并且是在弱引力场中建立起来的。它有三条明确的边界：①当物体运动速度接近真空中的光速 c 时，必须用狭义相对论；②当研究对象是电子、质子等微观粒子时，必须用量子力学；③当天体引力很强（如致密星体、黑洞）或研究宇宙大尺度结构时，必须用广义相对论。 表1　牛顿力学与相对论、量子力学的适用范围对比 理论 适用范围 边界与对应理论 牛顿力学 宏观、低速、弱引力 高速／微观／强引力均不适用 狭义相对论 高速运动（接近光速 c） 低速 v≪c 时退化为牛顿力学 量子力学 分子、原子、基本粒子等微观世界 宏观尺度量子效应可忽略 广义相对论 强引力场、宇宙大尺度结构 弱引力时近似牛顿引力理论 3．经典（绝对）时空观：牛顿力学建立在经典时空观之上：时间均匀流逝、与任何外界事物无关，空间像一个不动的空架子、与物质运动无关；时间与空间彼此独立。这种时空观在宏观低速下与日常经验一致，但在高速、强引力条件下不再成立。 ▎重难诠释 ①“相对论否定了牛顿力学”是常见误区：相对论与量子力学并没有否定牛顿力学，而是把它作为自己在宏观、低速条件下的特殊情形（近似）包含在内； ②判断能否用牛顿力学，就抓三点——是否宏观、是否低速（远小于光速 c≈3×10⁸ m/s）、是否弱引力； ③10 马赫（约 3.4×10³ m/s）、洲际导弹（约 6×10³ m/s）虽然“快”，但相对光速仍是低速，牛顿力学完全适用； ④牛顿力学是相对论力学在 v≪c 时的近似：v 越接近 c，相对论效应越显著。 考点二　狭义相对论基本假设、相对论时空观与广义相对论初步 1．狭义相对论的两条基本假设：爱因斯坦于 1905 年提出狭义相对论，出发点是两条假设：①相对性原理——在不同的惯性参考系中，一切物理规律的形式都是相同的；②光速不变原理——真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的，约为 c＝3×10⁸ m/s，与光源和观察者的运动状态无关。 2．同时的相对性：在一个惯性系中同时发生的两个事件，在另一个相对它运动的惯性系中看来不一定同时。例如车厢正中央的光源发出闪光，车上的观察者认为光同时到达前后两壁；地面上的观察者却认为，由于车厢向前运动，光先到达后壁、后到达前壁（如图1）。 图1　同时的相对性：车厢中央光源发出闪光，车上观察者认为光同时到达前后壁，地面观察者认为光先到达后壁——“同时”是相对的 3．时间延缓与长度收缩：狭义相对论给出两个重要结论：①时间延缓（动钟变慢）——运动着的时钟变慢，地面观察者测得高速飞船上的时间进程变慢；②长度收缩（动尺变短）——沿运动方向上的长度变短，垂直于运动方向的长度不变。飞船静止时的长度叫固有长度，地面观察者测得的运动长度比固有长度短。卫星导航中的原子钟就必须计入这种相对论修正（如图2）。 图2　前沿实例：北斗三号全球卫星导航系统星座。卫星上的原子钟因高速运动而变慢、因所处引力场更弱而变快，必须同时计入狭义相对论与广义相对论修正才能精确定位——相对论已成为工程实践的一部分 4．相对论质量与速度极限：相对论指出物体的质量随速度增大而增大，m＝m₀/（m₀ 为静止质量）；当 v 接近 c 时质量趋于无穷大，因此一切有质量的物体的速度都不可能达到光速 c。低速 v≪c 时 ≈1，m≈m₀，回到牛顿力学。 5．广义相对论初步：广义相对论认为，物质（引力）使它周围的时空发生弯曲，光线在引力场中会发生偏折。由此预言并被实验证实了一系列现象：引力透镜（星系团使后方星系成像扭曲、出现多重像）、水星近日点进动、引力波（2016 年人类首次直接探测到）以及黑洞——光都无法逃逸的强引力天体（如图3）。 图3　前沿实例：事件视界望远镜（EHT）公布的人类首张黑洞照片——室女座星系团 M87 中心超大质量黑洞及其“阴影”，是广义相对论关于强引力与时空弯曲的直接证据 ▎重难诠释 ①光速不变是“在任何惯性系中真空光速都等于 c”：飞船以 0.9c 追赶向前方发出的光，观察者测到的光速仍是 c，而不是 0.1c 或 1.9c； ②长度收缩只发生在运动方向上：路旁观察者看到车里站着的乘客“变瘦”而不“变矮”； ③动钟变慢是相对的：你看我的钟慢、我看你的钟也慢，这是双方相对匀速运动的对称效应； ④低速时一切相对论效应都极其微小：日常交通工具速度远小于 c，牛顿力学足够精确。 考向一　牛顿力学成就与适用范围（宏观低速弱引力极成功·不否定而作低速近似·经典绝对时空观） 1．牛顿力学的适用范围是（　　） A．适用于宏观物体的低速（与光速相比）运动 B．适用于微观粒子的运动 C．适用于宏观物体的高速（与光速相比）运动 D．适用于受到很强引力作用的物体 2．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 3．下列说法正确的是（　　） A．我国东风-17高超音速导弹飞行时末端速度可达到10马赫，这一速度属于相对论中的高速 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 4．（多选）下列说法正确的是（　　） A．哈雷运用牛顿的万有引力定律，成功推算出哈雷彗星的“按时回归” B．动量守恒定律只适用于宏观世界、低速运动 C．相对论和量子力学分别在微观与高速领域揭示了牛顿力学的局限性 D．牛顿力学适用于宏观世界、低速运动 5．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 考向二　经典力学三大局限（高速近c→狭义相对论·微观粒子→量子力学·强引力致密天体→广义相对论） 6．下列物理情景中，经典的牛顿力学不再适用的是（　　） A．原子核外电子的运动 B．超音速飞行的歼-20战斗机在空中飞行的运动 C．月球绕地球的运动 D．小明在投篮时，篮球在空中的运动 7．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 8．经典力学是从宏观的、日常的运动中总结出来的。运用经典力学研究下列运动的时间，有误差的是（　　） A．成熟的苹果落地的时间 B．火车过隧道的时间 C．带电粒子在回旋加速器中的运动周期 D．单摆的周期 9．下列物体的运动，不能在牛顿力学框架下得到解释的是（　　） A．中子星 B．人造卫星 C．飞行的鸟 D．射出的子弹 10．（多选）经典力学有一定的适用范围和局限性，适用于经典力学描述的运动是（　　） A．子弹的飞行 B．飞船绕地球的运行 C．列车的运行 D．粒子接近光速的运动 考向三　狭义相对论时空观定性判断（两假设·光速不变·同时相对性·动钟变慢·动尺收缩只沿运动方向） 11．1905年爱因斯坦提出了狭义相对论，狭义相对论的出发点是以两条基本假设为前提的，这两条基本假设是（　　） A．相对性原理与光速不变原理 B．运动的时钟变慢与运动的尺子缩短 C．时间间隔的绝对性与空间距离的绝对性 D．同时的绝对性与同时的相对性 12．如图所示，假设一列火车沿水平轨道接近光速匀速行驶，车厢正中央的光源S发出了一个闪光，车上的人甲和车旁边的人乙进行观察，则（　　） A．甲认为闪光先到达车厢的后壁 B．甲认为闪光先到达车厢的前壁 C．乙认为闪光先到达车厢的后壁 D．乙认为闪光先到达车厢的前壁 13．如图所示，甲乘坐速度为0.9c（c为光速）的宇宙飞船追赶正前方的乙，乙的飞行速度为0.5c，乙向甲发出一束光进行联络，则甲观测到该光束的传播速度是多大（　　） A．c B．0.4c C．0.1c D．0.5c 14．一枚静止时长度为L的火箭以接近光速的速度从观察者身边掠过，观察者观测到火箭的长度（　　） A．大于L B．小于L C．等于L D．无法确定 15．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v1和v2朝相反方向飞行的飞行器中，且v1＜v2，地面上观察者认为走得最快和最慢的时钟分别是（　　） A．A和B B．A和C C．B和A D．C和A 考向四　相对论质量与广义相对论前沿综合（m＝m₀/·有质量物体不达c·引力波/黑洞/μ子/北斗原子钟） 16．科学家2016年2月11日宣布，他们探测到引力波的存在，引力波是实验验证爱因斯坦相对论的最后一块缺失的“拼图”，相对论在一定范围内弥补了牛顿力学的局限性。关于牛顿力学，下列说法正确的是（　　） A．牛顿认为惯性是物体的固有属性，速度大的物体惯性大 B．牛顿力学取得了理论和应用的巨大成就，适用于一切领域 C．牛顿提出并完成著名的“月—地检验”但没有测出万有引力常量 D．两物体间的万有引力总是质量更大的物体受到的万有引力大 17．（多选）低轨卫星为宇宙线的研究提供了重要的平台。宇宙线中的μ子平均寿命很短，科学家发现μ子以0.99c甚至更高的速度飞行。如果不考虑相对论效应，即使以光速运动也不可能穿越大气层，但实际上地面实验室能观察到μ子。在考虑狭义相对论效应时，下列解释合理的是（　　） A．在μ子看来，大气层厚度减小了 B．在μ子看来，大气层厚度增大了 C．在地面观察者看来μ子的寿命变长了 D．在地面观察者看来μ子的寿命变短了 18．2021年6月17日，搭载神舟十二号载人飞船的长征二号F遥十二运载火箭成功发射。载人飞船与天和核心舱顺利自主快速交会对接，中国人首次进入自己的空间站。下列说法不正确的是（　　） A．火箭点火发射瞬间，火箭速度为零，加速度不为零 B．火箭发射时，火箭尾部喷出的气体对空气产生一个作用力，空气的反作用力使火箭获得飞行的动力 C．在考虑相对论效应的情况下，空间站上的宇航员发现地球上的时钟变慢 D．宇航员在空间站中可以正常使用弹簧拉力器 19．以下说法正确的是（　　） A．卡文迪什测量出万有引力常量，并提出万有引力定律 B．牛顿证明了地面上苹果受到的重力和地球对月亮的吸引力是同一种力 C．开普勒提出日心说，并指出行星绕太阳转动其轨道为椭圆 D．洲际导弹的速度有时可达到6000m/s，此速度在相对论中属于高速，导弹的质量会明显增大 20．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．相对论时空观认为运动的时钟会变快，运动的尺子会变长 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 C．经典力学不能适用于“天问一号”宇宙探测器在火星着陆 D．在经典力学中，物体的质量随运动状态改变而改变 ★ 重难题型专练（15题）★ （精选高频重难题，覆盖牛顿力学适用范围、三大局限、光速不变与同时相对性、动钟变慢与长度收缩、质速关系及引力波/黑洞/北斗原子钟前沿综合） 21．下列说法中正确的是（　　） A．爱因斯坦的狭义相对论全面否定了牛顿经典力学 B．牛顿经典力学不仅适用于宏观低速运动，也适用于微观粒子的高速运动 C．在一切惯性系中，真空中测得的光速都一样 D．在地面上观察，接近光速飞行的飞船在运动方向上会变长 22．如图所示，甲乘坐高速飞船路过某地，对于飞船中的人甲和地面上的人乙，说法正确的是（　　） A．乙向右发射一束光，甲观察到这束光的速度为0.4c B．乙观察到甲的身高变矮 C．甲观察到乙的时间进程变慢 D．乙看到A、B两地同时发生爆炸，则甲观察到A地先发生爆炸 23．下列说法正确的是（　　） A．第一宇宙速度是使人造卫星绕地球运动所需的最大发射速度 B．牛顿通过比较月球公转的向心加速度和地球赤道上物体随地球自转的向心加速度，对万有引力定律进行了“月地检验” C．狭义相对论认为，光在一切参考系中的速度都是不相同的 D．一根竹竿沿着竹竿方向高速运动，如果与竿相对静止的人测得竿长是l0，沿着竿的方向，以v相对竿运动的人测得竹竿的长度小于l0 24．下列物理情景中，经典的牛顿力学不再适用的是（　　） A．在天一中学校园观赏樱花的同学 B．射击场上，从枪膛射出的子弹 C．电子以接近光的速度运动 D．体育课上，被小明同学踢出的足球 25．如图所示，沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C．假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上的观测者测定A、C两塔被照亮的顺序是（　　） A．同时被照亮 B．A先被照亮 C．C先被照亮 D．无法判断 26．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．地面观察者看到的在0.7c运行的列车上乘客的手表走时更快 C．在不同的惯性参考系中，测得真空中的光速大小依然相同 D．对于地面上静止不动的物体，在不同参考系中测得该物体的长度都是一样的 27．一艘航天器以0.8倍的光速沿如图所示的方向通过AB。地面观测者测得A、B两点距离L1，经过时间t1；航天器驾驶员观测到A、B两点距离L2，经过时间t2。则（　　） A．L1＝L2 B．L1＞L2 C．t1＝t2 D．t1＜t2 28．在1905年爱因斯坦提出了狭义相对论理论，此理论建立的前提有两个假设条件以及在相对论理论下观察到的不同现象，如果有接近光速运动下的物体时间和空间都会发生相应的变化，下列说法中正确的是（　　） A．在不同的惯性参考系中，一切物体的规律是不同的 B．真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的 C．物体在接近光速运动时，它沿运动方向上的长度会变大 D．狭义相对论只适用于高速运动的物体，不适用于低速运动的物体 29．如图所示，位于教室中央的光源发出一个闪光，闪光照到了教室的前壁和后壁。教室的长度为10m。在平行于教室高速运动的太空飞船上的观察者（　　） A．测得照到前壁的光速度小于c B．观测到飞船上的时间进程比教室慢 C．测得教室的长度小于10m D．观察到光同时到达前、后壁 30．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 31．下列说法正确的是（　　） A．运动物体的长度（空间距离）跟物体的运动状态有关，物理过程的快慢（时间进程）则无关 B．牛顿力学已经被相对论和量子力学全面否定 C．牛顿力学在微观世界里并不完全适用 D．物理规律在不同的参考系中会发生变化 32．下列有关相对论时空观和牛顿力学的说法中不正确的是（　　） 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 33．如图，一列火车沿平直轨道以较快的速度匀速向右行驶，观察者甲静立在车厢中，观察者乙静立在地面上。下列有关观察者的描述正确的是（　　） A．若车厢中央悬挂着一个正在发声的铃铛，在车厢靠近乙的过程中，乙接受到的铃声频率逐渐减小 B．当车速v＝0.9c行驶时，甲测得的车厢长度比乙测得的长 C．若车厢中央有一光源，则乙测得：闪光先到达前壁，后到达后壁 D．由相对论可知，在不同的惯性参考系中，一切物理规律的形式都是不同的 34．（多选）一艘太空飞船静止时的长度为30m，他以0.6c（c为光速）的速度沿长度方向飞行经过地球，下列说法正确的是（　　） A．飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30m B．地球上的观测者测得该飞船的长度小于30m C．飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度等于c D．地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c 35．（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 重难突破系列　|　人教版高中物理必修二　|　7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 — — 学科网（北京）股份有限公司 $