資源簡介 中小學教育資源及組卷應用平臺7.5 相對論時空觀與牛頓力學的局限性一、考點梳理考點一、相對論時空觀1.19世紀,英國物理學家麥克斯韋根據電磁場理論預言了電磁波的存在,并證明電磁波的傳播速度等于光速c.2.1887 年的邁克耳孫—莫雷實驗以及其他一些實驗表明:在不同的參考系中,光的傳播速度都是一樣的.3.愛因斯坦假設:在不同的慣性參考系中,物理規律的形式都是相同的;真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的.4.時間延緩效應如果相對于地面以v運動的慣性參考系上的人觀察到與其一起運動的物體完成某個動作的時間間隔為Δτ,地面上的人觀察到該物體在同一地點完成這個動作的時間間隔為Δt,那么兩者之間的關系是Δt=.Δt與Δτ的關系總有Δt>Δτ,即物理過程的快慢(時間進程)與運動狀態有關.5.長度收縮效應:如果與桿相對靜止的人測得桿長是l0,沿著桿的方向,以v相對桿運動的人測得桿長是l,那么兩者之間的關系是l=l0.l與l0的關系總有l<l0,即運動物體的長度(空間距離)跟物體的運動狀態有關.【典例1】A、B兩火箭沿同一方向高速飛過地面上的某處,vA>vB,在地面上的人觀察到的結果正確的是( )A.火箭A上的時鐘走得最快B.地面上的時鐘走得最快C.火箭B上的時鐘走得最快D.火箭B上的時鐘走得最慢【答案】B【解析】由Δt=知,地面上的人觀察到的結果為:A、B兩火箭上的時鐘都變慢了.又vA>vB,則火箭A上的時鐘走得最慢,地面上的時鐘走得最快,因此B正確,A、C、D錯誤.【典例2】下列關于經典力學的說法正確的是( )A.經典力學適用于宏觀、低速(遠小于光速)運動的物體B.經典力學適用于微觀、高速(接近光速)運動的粒子C.相對論和量子力學的出現,表明經典力學已被完全否定了D.經典力學在理論和實踐上取得了巨大的成功,從地面到天體的運動都服從經典力學的規律,因此任何情況下都適用【答案】A【解析】經典力學是狹義相對論在低速(v c)條件下的近似,即只要速度遠小于光速,經過數學變換狹義相對論的公式就全部變化為經典力學的公式,故A正確,B、D錯誤;相對論與量子力學并沒有否定經典力學,而是在其基礎上發展起來的,故C錯誤.練習1、(多選)下列說法中正確的是( )A.經典力學是以牛頓的三大定律為基礎的B.經典力學在任何情況下都適用C.當物體的速度接近光速時,經典力學就不適用了D.相對論和量子力學的出現,使經典力學失去了意義【答案】AC【解析】牛頓運動定律是經典力學的基礎,A正確;經典力學只適用于低速、宏觀、弱引力場的范圍,B錯誤,C正確;相對論和量子力學的出現,并沒有否定經典力學,只是說經典力學有一定的適用范圍,D錯誤.練習2、關于經典力學、相對論和量子力學,下列說法中正確的是( )A.相對論和經典力學是相互對立、互不相容的兩種理論B.經典力學包含于相對論之中,經典力學是相對論的特例C.經典力學只適用于宏觀物體的運動,量子力學只適用于微觀粒子的運動D.不論是宏觀物體,還是微觀粒子,經典力學和量子力學都是適用的【答案】B【解析】相對論沒有否定經典力學,經典力學是相對論在一定條件下的特殊情形,選項A錯誤,B正確;經典力學適用于宏觀、低速、弱引力的領域,選項C、D錯誤.考點二、相對論的兩個效應“同時”的相對性經典的時空觀:在同一個慣性系中不同地點同時發生的兩個事件,在另一個慣性系中觀察也是相同的。相對論的時空觀:“同時”具有相對性,即在同一個慣性系中不同地點同時發生的兩個事件,在另一個慣性系中觀察不一定同時。“長度”的相對性經典的時空觀:一條桿的長度不會因為觀察者是否與桿做相對運動而不同。相對論的時空觀:“長度”也具有相對性,一條沿自身長度方向運動的桿,其長度總比靜止時的長度小。物體靜止長度l0和運動長度l之間的關系為l=l0。相對于地面以速度v運動的物體,從地面上看:沿著運動方向上的長度變短了,速度越大,變短得越多.在垂直于運動方向不發生長度收縮效應現象.【典例1】如圖所示,慣性系S中有一邊長為1的正方形,從相對S系沿x方向以接近光速的勻速飛行器上測得該正方形的圖像是( )A. B.C. D.【答案】C【解析】正方形從相對S系沿x方向以接近光速勻速飛行的飛行器上運動,根據相對論效應可知,沿x軸方向正方形邊長縮短,而沿y軸方向正方形邊長沒有改變,則其形狀變成長方形.A.其形狀與結論不相符,選項A錯誤;B.其形狀與結論不相符,選項B錯誤;C.其形狀與結論相符,選項C正確;D.其形狀與結論不相符,選項D錯誤;【典例1】如圖所示,強強乘坐速度為0.9c(c為光速)的宇宙飛船追趕正前方的壯壯,壯壯的飛行速度為0.5c,強強向壯壯發出一束光進行聯絡,則壯壯觀測到該光速的傳播速度為( )A.0.4c B.0.5c C.0.9c D.1.0c【答案】D【解析】根據光速不變原理,在一切慣性參考系中測量到的真空中的光速c都一樣,而壯壯所處參考系即為慣性參考系,因此壯壯觀察到的光速為1.0c,選項D正確.練習1、在靜止坐標系中的正立方體邊長為l0,另一坐標系以相對速度v平行于正立方體的一邊運動.問在后一坐標系中的觀察者測得的立方體的體積是多少?【答案】l03【解析】本題中正立方體相對于另一坐標系以速度v運動,一條邊與運動方向平行,則坐標系中觀察者測得該條邊的長度為l=l0測得立方體的體積為V=l02l=l03.練習2、來自太陽和宇宙深處的高能粒子流,與高層大氣作用產生一種叫作μ子的次級宇宙射線,μ子低速運動時的壽命只有3.0 μs,按常理,μ子不可能穿過高度大于100 km的大氣層到達地面,但實際上在地面上可以觀測到許多μ子.則根據相對論可以確定:在地球上測量向地球高速飛行的該粒子的平均壽命________(選填“大于”“等于”或“小于”)3.0 μs.如果觀察者和μ子一起以接近光速的速度飛向地面,觀察者認為大氣層厚度______(選填“大于”“等于”或“小于”) 100 km;如果觀察者和μ子一起以0.99c的速度飛向地面,觀察者觀察同方向向地球照射的太陽光的光速________c.(選填“大于”“等于”或“小于”)【答案】大于 小于 等于【解析】μ子低速運動時的壽命只有3.0 μs,根據時間延緩效應知在地球上測量向地球高速飛行的該粒子的平均壽命大于3.0 μs;根據長度收縮效應得,如果觀察者和μ子一起以接近光速的速度飛向地面,觀察者認為大氣層厚度小于100 km;根據光速不變原理得,如果觀察者和μ子一起以0.99c的速度飛向地面,觀察者觀察同方向向地球照射的太陽光的光速等于c.考點三、牛頓力學的成就與局限性牛頓力學的成就:牛頓力學的基礎是牛頓運動定律,萬有引力定律的建立與應用更是確立了人們對牛頓力學的尊敬.牛頓力學局限性:牛頓力學的適用范圍是低速(填“高速”或“低速”)運動的宏觀(填“宏觀”或“微觀”)物體.當物體以接近光速運動時,有些與牛頓力學的結論不相同.電子、質子、中子等微觀粒子的運動不能用牛頓力學來說明.牛頓力學不會被新的科學成就所否定,當物體運動的速度遠小于光速c時,相對論物理學與牛頓力學的結論沒有區別.【典例1】關于經典力學,下列說法中正確的是( )A.相對論與量子力學否定了經典力學理論B.經典力學可以解決自然界中所有的問題C.經典力學適用于微觀領域質子、電子的運動D.經典力學適用于發射的導彈、人造衛星、宇宙飛船的運動【答案】D【解析】相對論與量子力學并沒有否定經典力學,而是在其基礎上發展起來的,有各自成立范圍,A錯誤;經典力學只能解決宏觀低速物體的問題,對于微觀或高速的物體不再適用,B、C錯誤; 經典力學適用于宏觀低速物體,適用于發射的導彈、人造衛星、宇宙飛船的運動,D正確.【典例2】關于經典力學、相對論和量子力學,下列說法中正確的是( )A.相對論和經典力學是相互對立、互不相容的兩種理論B.經典力學包含于相對論之中,經典力學是相對論的特例C.經典力學只適用于宏觀物體的運動,量子力學只適用于微觀粒子的運動D.不論是宏觀物體,還是微觀粒子,經典力學和量子力學都是適用的【答案】B【解析】相對論沒有否定經典力學,經典力學是相對論在一定條件下的特殊情形,選項A錯誤,B正確;經典力學適用于宏觀、低速、弱引力的領域,選項C、D錯誤.練習1、(多選)下列服從經典力學規律的是( )A.自行車、汽車、火車、飛機等交通工具的運動B.發射導彈、人造衛星、宇宙飛船C.以接近光速飛行的μ子的運動D.地殼的變動【答案】ABD【解析】經典力學適用于宏觀、低速運動的物體,所以A、B、D正確;當物體運動的速率接近于光速時,經典力學就不適用了,故C錯誤.練習2、關于牛頓物理學與狹義相對論,下列說法正確的是( )A.狹義相對論研究的是物體在低速運動時所遵循的規律B.狹義相對論研究的是物體在高速運動時所遵循的規律C.牛頓物理學研究的是物體在高速運動時所遵循的規律D.牛頓物理學和狹義相對論都既適用于高速運動又適用于低速運動規律【答案】B【解析】AB.愛因斯坦創立狹義相對論為的是研究物體在高速運動時所遵循的規律,故A錯誤,B正確;C.牛頓力學的運動定律研究的是物體在低速運動時所遵循的規律,故C錯誤;D.經典力學只適用于宏觀物體的低速運動,不適用于與高速運動;狹義相對論既適用于高速運動,也適用于低速運動,故D錯誤;二、夯實小練1、(多選)甲乘客乘坐在接近光速的火車上,乙觀察者站在鐵軌附近的地面上,甲、乙兩人手中各持一把沿火車前進方向放置的米尺。則下列說法正確的是A.甲看到乙手中尺子長度比甲看到自己手中的尺子長度要長B.甲看到乙手中尺子長度比甲看到自己手中的尺子長度要短C.乙看到甲手中尺子長度比乙看到自己手中的尺子長度要長D.乙看到甲手中尺子長度比乙看到自己手中的尺子長度要短【答案】BD【解析】在尺子長度方向上運動的尺子比靜止的尺子短,乙手中的尺相對于甲接近光速運動,所以甲看到乙手中的尺的長度比乙看到自己手中的尺的長度短,故A錯誤,B正確;甲手中的尺相對于乙接近光速運動,所以乙看到甲手中的尺的長度比甲看到自己手中的尺的長度短,故C錯誤,D正確。2、在地面附近有一高速飛行的火箭,關于地面上的觀察者和火箭中的工作人員觀察到的現象,下列說法正確的是( )A.地面上的人觀察到火箭變短了,火箭上的時間進程變慢了B.地面上的人現察到火箭變長了,火箭上的時間進程變慢了C.火箭中的工作人員觀察到火箭的長度不變而時間進程卻變化了D.地面上的人觀察到火箭變長了,火箭上的時間進程變快了【答案】A【解析】ABD.根據愛因斯坦相對論可知,地面上的人觀察到火箭變短了,火箭上的時間進程變慢了。故A正確,BD錯誤。C.運動是相對的,火箭上的人員觀察到火箭的長度不變而時間進程也不變,故C錯誤。3、(多選)愛因斯坦的相對論時空觀告知我們:我們在靜止地面看到某物體長度L和運動所間隔的時間t,比較相對地面很大速度v的參考系中對應的該物體的長度和間隔的時間來說( )A.在靜止地面物體長度偏大B.在靜止地面物體長度偏小C.在地面物體運動所間隔的時間t偏大D.在地面物體運動所間隔的時間t偏小【答案】 AC【解析】靜止地面看到某物體長度L靜止地面運動所間隔的時間t靜止地面的物體速度小,長度偏大,地面物體運動所間隔的時間t偏大。4、美國科學家2016年2月11日宣布,他們探測到引力波的存在,引力波是實驗驗證愛因斯坦相對論的最后一塊缺失的“拼圖”,相對論在一定范圍內彌補了牛頓力學的局限性。關于牛頓力學,下列說法正確的是( ?。?br/>A.牛頓發現了萬有引力定律但沒有測出引力常量B.牛頓力學取得了巨大成就,適用于一切領域C.兩物體間的萬有引力總是質量更大的物體受到的萬有引力大D.由于相對論、量子論的提出,牛頓力學已經失去了它的應用價值【答案】A【解析】A.牛頓發現了萬有引力定律,卡文迪什測得了引力常量,A正確;B.牛頓力學適用于宏觀、低速的物體,B錯誤;C.兩物體間的萬有引力是相互作用力,總是大小相等,C錯誤;D.牛頓運動定律和相對論、量子理論適用范圍不同,各有其用途,D錯誤。5、如圖,按照狹義相對論的觀點,火箭B是“追趕”光的;火箭A是“迎著”光飛行的。若火箭相對地面的速度均為v,則兩火箭上的觀察者測出的光速分別為( ?。?br/>A.c+v,c-v B.c,cC.c-v,c+v D.無法確定【答案】B【解析】根據狹義相對論的觀點:光速不變原理,即光速的大小與光源以及觀察者的運動無關,所以兩火箭上的觀察者測出的光速都是c。故選B。6、年成功發射的“東方紅一號”是我國第一顆人造地球衛星,該衛星至今仍沿橢圓軌道繞地球運動。如圖所示,設衛星在近地點、遠地點的速度分別為v1、v2,近地點到地心的距離為,地球質量為,引力常量為。則( )A.,B.,C.地面上的觀察者觀察到飛船上的鐘在近地點比在遠地點走得更慢D.根據相對論,飛船中的觀察者發現靜止于地面的鐘走快了【答案】C【解析】AB.根據開普勒第二定律可知衛星在近地點的速度大于在遠地點的速度,即若衛星繞地心做軌道半徑為的圓周運動時,根據得將衛星從半徑r的圓軌道變軌到圖示的橢圓軌道必須在近地點加速使其做離心運動,所以故AB錯誤;C.根據愛因斯坦的狹義相對論,運動具有延遲效應,故地面上的觀察者看到飛船上的鐘變慢了;由于近地點飛船的速度大,則地面上的觀察者觀察到飛船上的鐘在近地點比在遠地點走得更慢,故C正確;D.根據相對論的延遲效應,飛船上的人以自己為參考系,認為地球在高速運動,故看到地球上的鐘變慢了,故D錯誤。故選C。7、如圖所示,一同學在教室上課,教室的長度為9m,教室中間位置有一光源。有一飛行器從前向后高速通過教室外側,已知光速為c、飛行器中的飛行員認為( ?。?br/>A.教室中的時鐘變快B.教室的長度大于9mC.從光源發出的光先到達教室后壁D.光源發出的光,向后的速度小于c【答案】C【解析】AB.根據愛因斯坦的相對論,可知飛行器中的飛行員認為看到教室中的時鐘變慢,教室的長度變短,即長度小于9m,選項AB錯誤;C.教室中的人認為,光向前向后傳播的速度相等,光源在教室中央,光同時到達前后兩壁.飛行器中的飛行員是一個慣性系,光向前向后傳播的速度相等,向后壁傳播的路程短些,到達后壁的時刻早些,選項C正確。D.根據光速不變原理,不論光源與觀察者之間做怎樣的相對運動,光速都是一樣的,選項D錯誤;8、話說有兄弟兩個,哥哥乘坐宇宙飛船以接近光的速度離開地球去遨游太空,經過一段時間返回地球,哥哥驚奇地發現弟弟比自己要蒼老許多,則該現象的科學解釋是( )A.哥哥在太空中發生了基因突變,停止生長了B.弟弟思念哥哥而加速生長了C.由相對論可知,物體速度越大,在其上時間進程就越慢,生理過程也越慢D.這是神話,科學無法解釋【答案】C【解析】根據相對論的時間延緩效應,當飛船速度接近光速時,時間會變慢,時間延緩效應對生命過程、化學反應等也是成立的.飛船運行的速度越大,時間延緩效應越明顯,人體新陳代謝越緩慢.9、(多選)關于牛頓力學理論,下列說法正確的是( ?。?br/>A.牛頓力學是物理學和天文學的基礎,也是現代工程技術的理論基礎B.牛頓力學的理論體系是經過幾代科學家長期的探索,歷經曲折才建立起來的C.牛頓力學具有豐富的理論成果,也建立了驗證科學的方法體系D.當物體運動速度很大(v→c)時,牛頓力學理論所得的結果與實驗結果相符合【答案】ABC【解析】A.牛頓力學是物理學和天文學的基礎,也是現代工程技術的理論基礎,A正確;B.牛頓力學的理論體系是經過幾代科學家長期的探索,歷經曲折才建立起來的,B正確;C.牛頓力學具有豐富的理論成果,也建立了驗證科學的方法體系,C正確;D.當物體運動速度很大(v→c)時,牛頓力學理論所得的結果與實驗結果之間出現了較大的偏差,D錯誤。10、在1905年愛因斯坦提出了《狹義相對論理論》,但此理論建立的前提有兩個假設條件以及在相對論理論下的觀察到的不同現象,如果有接近光速運動下的物體時間和空間都會發生相應的變化,下列說法中正確的是( )A.在不同的慣性參考系中,一切物體的規律是不同的B.真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的C.物體在接近光速運動時,它的質量會變小D.物體在接近光速運動時,它沿運動方向上的長度會變大【答案】B【解析】A.在不同的慣性參考系中,一切物體的規律都是相同的,所以A錯誤;B.真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的,所以B正確;C.由相對論知其中為物體靜止時的質量,所以當物體在接近光速運動時,它的質量會變大,所以C錯誤;D.由相對論可知其中為物體相對靜止的人的長度,則當物體在接近光速運動時,它沿運動方向上的長度會變小,所以D錯誤。三、培優練習1、假設地面上有一火車以接近光速的速度運行,其內站立著一個中等身材的人,站在路旁的人觀察車里的人,觀察的結果是( )A.這個人是一個矮胖子 B.這個人是一個瘦高個子C.這個人矮但不胖 D.這個人瘦但不高【答案】D【解析】取路旁的人為慣性參考系,車上的人相對于路旁的人高速運動,根據長度收縮效應,人在運動方向上將變窄,但在垂直于運動方向上沒有發生變化,故選D.2、(多選)一個物體靜止時質量為,能量為;速度為時,質量為,能量為,動能為,下列說法正確的是( )A.物體速度為時的能量B.物體速度為時的動能C.物體速度為時的動能D.物體速度為時的動能【答案】AD【解析】由愛因斯坦的質能方程得 E0=m0c2;E=mc2.E=mc2表明質量與能量之間存在一一對應的關系,物體速度為v時的能量E=mc2;在經典物理學中,速度為v時物體的動能Ek=m0v2,而這只是在v<<c時的近似;在相對論中物體的動能Ek=E-E0=mc2-m0c2=(m-m0)c2;故選AD。易知AD正確,BC錯誤。3、(多選)設某人在速度為0.5c的飛船上打開一個光源,則下列說法正確的是( )A.飛船正前方地面上的觀察者觀察這一光速為1.5cB.飛船正后方地面上的觀察者觀察這一光速為0.5cC.在垂直飛船前進方向地面上的觀察者觀察這一光速是cD.在地面上任何地方的觀察者看到的光速都是c【答案】CD【解析】根據狹義相對論的“光速不變原理”可知,真空中的光速在不同的慣性系中都是相同的,CD正確。4、質子在加速器中被加速,當其動能為靜止能量的4倍時,其質量為靜止質量的幾倍?A.4 B.5C.6 D.8【答案】B【解析】根據質量與速度的關系:m=,當其質量為靜止質量的5倍時,,所以。根據相對論中的動能表達式求出粒子的動能,當時得:,,根據質量與速度的關系:m=,代入數據得:,故B正確。5、在一高速列車通過洞口為圓形的隧道,列車上的司機對隧道的觀察結果為( )A.洞口為橢圓形,長度變短 B.洞口為圓形、長度不變C.洞口為橢圓形、長度不變 D.洞口為圓形,長度變短【答案】 D【解析】根據尺縮效應,在尺子長度方向上運動的尺子比靜止的尺子短.所以高速列車通過洞口為圓形的隧道時,列車上的司機對隧道口方向的觀察結果仍然是圓形,但是觀察隧道的長度變短,故選D.6、一張正方形宣傳畫,邊長為5m,平行貼于鐵路旁的廣告牌上,如圖所示,假設一高速列車以0.6c速度駛過,在司機看來,宣傳畫是( )A.長4m、高5m的長方形B.長6.25m、高5m的長方形C.4m×4m的正方形D.長5m、高4m的長方形【答案】A【解析】一張正方形宣傳畫,邊長為5m,平行地貼于鐵路旁邊的墻上,一超高速列車以0.6c的速度接近此宣傳畫,根據相對論效應司機測量時宣傳畫的長度變成4m,高5m的長方形,故A正確,BCD錯誤。7、一枚靜止時長30m的火箭以1.5×108m/s的速度從觀察者的身邊掠過,已知光速為3×108m/s,觀察者測得火箭的長度約為( )A.30m B.15m C.34m D.26m【答案】D【解析】根據狹義相對論得火箭上的人測得火箭的長度為30m,根據長度的相對性代入解得觀察者測得火箭的長度故ABC錯誤,D正確。8、離開地面6km高空存在某μ子源,產生的μ子以0.99c(c為真空中光速)飛向地面。已知μ子的靜止壽命為3.0 ×10-6s。地面能收到該源的μ子,則( ?。?br/>A.高速μ子的壽命大于3.0 ×10-6sB.高速μ子的壽命等于3.0 ×10-6sC.μ子參考系下觀察到離地距離大于6kmD.μ子參考系下觀察到離地距離等于6km【答案】A【解析】AB.根據鐘慢效應由此可知,高速μ子的壽命大于3.0×10-6s,故A正確,B錯誤;CD.根據尺縮效應由此可知,μ子參考系下觀察到離地距離應小于6km,故CD錯誤。9、(多選)一枚火箭靜止于地面時長為30m,兩個完全相同的時鐘分別放在火箭內和地面上?;鸺运俣葀飛行,光速為c,下列判斷正確的是 ( ?。?br/>A.若v=0.5c,則火箭上的觀察者測得火箭的長度仍為30mB.若v=0.5c,則地面上的觀察者測得火箭的長度仍為30mC.若v=0.5c,則火箭上的觀察者認為地面上的時鐘走得快D.若v=0.5c,則地面上的觀察者認為火箭上的時鐘走得慢【答案】AD【解析】A.一枚靜止時長為30m的火箭以0.5c的速度飛行,根據相對論時空觀可知,火箭上的觀察者測得火箭的長度為30m,選項A正確;B.根據長度收縮效應知地面上的觀察者測得火箭的長度為L=26m選項B錯誤;CD.根據時間延緩效應,運動的鐘比靜止的鐘走得慢,而且運動速度越大,鐘走得越慢,同時運動是相對的,火箭相對于地面上的人是運動的,地面上的人相對于火箭也是運動的,所以若v=0.5c,則火箭上的觀察者認為地面上的時鐘走得慢,同時地面上的觀察者認為火箭上的時鐘走得慢,選項C錯誤,D正確。10、某星際飛船正在遙遠的外太空飛行,假如它的速度可以達到0.7c,在地球上觀測到其經過8.76×104 h的時間到達某星球,則在飛船上的人看來,其到達此星球需要的時間是( ?。?br/>A.8.76×104 h B.6.26×104 hC.12.27×104 h D.16.52×104 h【答案】B【解析】到達此星球需要的時間是≈6.26×104 h21世紀教育網 www.21cnjy.com 精品試卷·第 2 頁 (共 2 頁)HYPERLINK 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