高中物理必修二同步專題講義：11 B相對論時空觀與牛頓力學的局限性 中檔版（學生版）

相對論時空觀與牛頓力學的局限性知識點：相對論時空觀與牛頓力學的局限性一、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！這與牛頓力學中不同參考系之間的速度變換關系不符(填“相符”或“不符”).3.愛因斯坦假設：在不同的慣性參考系中，物理規(guī)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(1)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＝eq\f(Δτ,\r(1－\f(v,c)2)).(2)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(tài)有關.(填“有關”或“無關”)5.長度收縮效應：(1)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＝l0eq\r(1－\f(v,c)2).(2)l與l0的關系總有l(wèi)＜l0，即運動物體的長度(空間距離)跟物體的運動狀態(tài)有關.(填“無關”或“有關”)二、牛頓力學的成就與局限性1.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.2.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.(1)當物體以接近光速運動時，有些與牛頓力學的結論不相同.(2)電子、質子、中子等微觀粒子的運動不能用牛頓力學來說明.3.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(qū)別.技巧點撥一、相對論時空觀1.低速與高速(1)低速：通常所見物體的運動，如行駛的汽車、發(fā)射的導彈、人造地球衛(wèi)星及宇宙飛船等物體皆為低速運動物體.(2)高速：有些微觀粒子在一定條件下其速度可以與光速相接近，這樣的速度稱為高速.2.相對論的兩個效應(1)時間延緩效應：運動時鐘會變慢，即Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\f(v,c)2)).(2)長度收縮效應：運動長度會收縮，即l＝l0eq\r(1－\f(v,c)2).3.對于低速運動的物體，相對論效應可以忽略不計，一般用經典力學規(guī)律來處理；對于高速運動問題，經典力學不再適用，需要用相對論知識來處理.二、牛頓力學的成就與局限性1.經典力學的成就(1)經典力學體系是時代的產物，是現(xiàn)代機械、土木建筑、交通運輸以至航空航天技術的理論基礎.(2)經典力學的思想方法對藝術、政治、哲學等社會科學領域也有巨大影響.2.經典力學的局限性及適用范圍(1)經典力學適用于低速運動的物體，相對論闡述物體在以接近光速運動時所遵循的規(guī)律.(2)經典力學適用于宏觀世界；量子力學能夠正確描述微觀粒子的運動規(guī)律.3.相對論和量子力學沒有否定經典力學(1)當物體的運動速度遠小于光速時，相對論物理學與經典物理學的結論沒有區(qū)別；(2)當?shù)慕Y論沒有區(qū)別.(3)相對論和量子力學并沒有否定經典力學，經典力學是二者在一定條件下的特殊情形例題精練1．（溫州期中）在下列運動中，牛頓運動定律可能不適用的是（）A．電子繞原子核運動 B．籃球被投出后在空中飛行 C．超音速飛機在高空飛行 D．地球繞太陽運動2．（常熟市期中）如圖所示，慣性系S中有一邊長為1的立方體，從相對S系沿x方向以接近光速勻速飛行的飛行器上觀察，則該立方體的形狀是（）A． B． C． D．隨堂練習1．（如皋市期末）下列說法正確的是（）A．牛頓是國際單位制中的基本單位 B．研究原子核結構時，因原子核很小，可把原子核看作質點 C．在鐵路的轉彎處，通常要求外軌比內軌高，目的是減輕輪緣與軌道間的側向擠壓 D．“和諧號”動車組高速行駛時，在地面上測得的其車廂長度明顯變短2．（海淀區(qū)校級期末）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3．（宿遷月考）如圖所示，a、b、c為三個完全相同的時鐘，a放在水平地面上，b、c分別放在以速度vb、vc向同一方向飛行的兩枚火箭上，且vb＜vc，則地面的觀察者認為走得最慢的鐘為（）A．a B．b C．c D．無法確定4．（鄭州月考）如圖所示，假設一根10cm長的梭鏢以接近光速穿過一根10cm長靜止的管子，它們的長度都是在靜止狀態(tài)下測量的。以下敘述中最好地描述了梭鏢穿過管子情況的是（）A．靜止的觀察者看到梭鏢收縮變短，因此在某個位置，管子能完全遮住梭鏢 B．靜止的觀察者看到梭鏢變長，因此在某個位置，梭鏢從管子的兩端伸出來 C．靜止的觀察者看到兩者的收縮量相等，因此在某個位置，管子仍恰好遮住梭鏢 D．如果梭鏢和管子都以光速c相向運動，則二者的相對速度是2c綜合練習一．選擇題（共10小題）1．（雨花臺區(qū)校級月考）如圖所示，甲、乙兩人分別乘坐速度為0.6c和0.8c（c為真空中光速）的飛船反向運動，則下列說法正確的是（）A．甲、乙兩人相對速度為1.4c B．甲觀察到乙的身高變短了 C．甲觀察到乙所乘坐的飛船變短 D．甲觀察到乙所帶的鐘表顯示時間變快2．（玄武區(qū)校級月考）A、B、C是三個完全相同的時鐘，A放在地面上，B、C分別放在以速度v1和v2朝同一方向飛行的兩個火箭上，且v1＜v2。地面上的觀察者認為走得最快的時鐘是（）A．A時鐘 B．B時鐘 C．C時鐘 D．無法確定3．（閔行區(qū)期末）牛頓運動定律適用于（）A．宏觀物體的高速運動 B．宏觀物體的低速運動 C．微觀粒子的高速運動 D．微觀粒子的低速運動4．（正安縣校級月考）廣東省虎門大橋全長近15km，在500m高空有一架與大橋平行勻速飛行的飛機，飛機上人員看到大橋的長度將是（）A．大于15km B．等于15km C．小于15km D．飛機飛行越快，大橋將變得越長5．（綿陽期末）在地面附近有一高速飛行的宇宙飛行器，地面上的人和宇宙飛行器中的宇航員觀察到的現(xiàn)象，正確的是（）A．地面上的人觀察到宇宙飛行器變短了 B．地面上的人觀察到宇宙飛行器變長了 C．宇航員觀察到宇宙飛行器內的時鐘變慢了 D．宇航員觀察到宇宙飛行器內的時鐘變快了6．（豐臺區(qū)期中）下列運動中，牛頓力學規(guī)律適用的是（）A．研究原子中電子的運動 B．高能粒子（速度較大）進一步加速 C．粒子接近光速的運動 D．嫦娥一號探月衛(wèi)星的運動7．（玄武區(qū)校級月考）下列運動中不能用經典力學規(guī)律描述的是（）A．子彈的飛行 B．粒子接近光速的運動 C．人造衛(wèi)星繞地球運動 D．和諧號從南通向上海飛馳8．（嘉定區(qū)期末）經典力學有一定的局限性。當物體以下列速度運動時，經典力學不再適用的是（）A．2.5×10﹣1m/s B．2.5×102m/s C．2.5×105m/s D．2.5×108m/s9．（海門市校級期中）如圖所示，兩艘飛船A、B沿同一直線同向飛行，相對地面的速度均為v（v接近光速c）．地面上測得它們相距為L，則A測得兩飛船間的距離（）A．大于L B．等于L C．小于L D．不能確定10．（寧波期末）經典力學有一定的局限性，下列情境中經典力學不適用的是（）A．小朋友坐滑梯下滑 B．輪船在大海上航行 C．宇宙粒子接近光速運動 D．子彈在空中高速飛行二．多選題（共8小題）11．（江蘇一模）下列說法正確的是（）A．真空中的光速在不同慣性參考系中都是相同的 B．質點做簡諧運動時，若位移為負值，加速度一定為正值，速度一定也為正值 C．不同色光通過三棱鏡，頻率越大，折射率越小，偏折角度就越小 D．醫(yī)學上用激光做“光刀”來進行手術，主要是利用了激光的亮度高、能量大的特點12．（元江縣校級月考）20世紀以來，人們發(fā)現(xiàn)了一些新的事實，而經典力學卻無法解釋。經典力學只適用于解決物體的低速運動問題，不能用來處理高速運動問題；只適用于宏觀物體，不適用于微觀粒子。這說明（）A．隨著認識的發(fā)展，經典力學已成了過時的理論 B．人們對客觀事物的具體認識，在廣度上是有局限性的 C．不同領域的事物各有其本質與規(guī)律 D．人們應當不斷擴展認識，在更廣闊的領域內掌握不同事物的本質與規(guī)律13．（淮安一模）下列說法正確的是（）A．受迫振動的頻率總等于振動系統(tǒng)的固有頻率 B．波長越長的電磁波越容易發(fā)生衍射 C．利用超聲波的多普勒效應，可測量心臟血液的流速 D．宇航員在相對地面高速運動的飛船里觀測到地面上的鐘走的較快14．（如皋市期末）下列說法正確的是（）A．可用超聲波被血液反射回來的發(fā)生變化的頻率測血液流速 B．單擺在周期性外力作用下做受迫振動，其振幅與驅動力的頻率無關 C．由于波長較短的光比波長較長的光更容易被大氣散射，故天空看起來是藍色的 D．一條運動的桿，其總長度比靜止時的長度小15．（山西期末）下列說法正確的是（）A．機械波和電磁波都能發(fā)生干涉、衍射現(xiàn)象 B．海嘯發(fā)生后尚未到達海岸邊，沿海漁民沒有反應，但狗顯得煩噪不安，這是因為次聲波傳播速度比超聲波大 C．一質點做簡諧運動，質點每次通過同一位置時，其速度不一定相同，但加速度一定相同 D．光學鏡頭上的增透膜利用了光的干涉現(xiàn)象 E．在不同的慣性參考系中，光在真空中的速度都是不相同的16．（如皋市月考）下列說法正確的是（）A．單縫衍射實驗中，縫越寬，條紋越亮，衍射現(xiàn)象越明顯 B．光纖通信，醫(yī)用纖維式內窺鏡都利用了光的全反射原理 C．機械波傳播過程中，某質點在一個周期內向前移動一個波長的距離 D．地球上的人看來，接近光速運動的飛船中的時鐘變慢了17．（合肥三模）（1）下列說法正確的是（）（填正確答案標號。選對1個得2分，選對2個得4分，選對3個得5分。每選錯1個扣3分，最低得分為0分）A．單擺在周期性外力作用下做受迫振動，其振動周期與單擺的擺長無關 B．機械波傳播方向上各質點的振動周期與波源的振動周期相同 C．能產生衍射現(xiàn)象的條件是障礙物或孔的尺寸與波長相差不多或比波長小 D．黑洞之所以不能被看到任何光射出，是因為黑洞巨大的引力使環(huán)繞其運動的物體速度超過了光速 E．地面上的人觀測到的一高速飛行的火箭長度要比火箭上的人觀測到的要短一些18．（南京三模）下列說法正確的是（）A．物體做受迫振動時的頻率、振幅都與其固有頻率無關 B．波在傳播過程中，介質中的質點一個周期內向前傳播的距離是一個波長 C．在接近光速離開地球的飛行器里的人認為，地球上人的新陳代謝變慢了 D．頻率越低的聲波，越容易發(fā)生衍射現(xiàn)象三．填空題（共5小題）19．（鹽城四模）甲乘坐速度為0.9c（c為光速）的宇宙飛船追趕正前方的乙，乙的飛行速度為0.5c，甲向乙發(fā)出一束光進行聯(lián)絡，則乙觀測到光速是（選填“c”“1.4c”或“1.9c”）；地面上的觀察者發(fā)現(xiàn)甲的手表示數(shù)比乙的手表示數(shù)變化（選填“慢了”“快了”或“相同”）。20．（廣陵區(qū)校級模擬）我們想象這樣一幅圖景：一列火車以接近光速從觀察者身邊飛馳而過，火車里的觀察者看到沿鐵路電線桿距離（填“變大”、“變小”、“不變”），而地面上的觀察者看到火車車窗的高度（填“變大”、“變小”、“不變”）．21．（宿遷一模）地球與月球相距為L0，若飛船以接近光速的速度v經過地球飛向月球，地面上的人測得飛船經過t1時間從地球到達月球，在飛船內宇航員測得飛船經過t2時間從地球到達月球，則t1（選填“＞”“＝”或“＜”）t2；在飛船內宇航員測得地球、月球相距為L，則L（選填“＞”“＝”或“＜”）L0。22．（鹽城三模）如圖所示，寬度為l的宇宙飛船沿其長度方向以0.9c（c為真空中的光速）遠離地球，地球上的人看到宇宙飛船寬度（選填“大于”“等于”或“小于”）l．飛船和地面上各有一只銫原子鐘，地球上的人觀察到（選填“飛船上鐘較快”“地面上鐘較快”或“兩只鐘一樣快”）。23．（江蘇一模）一列長為L的列車以速度0.5c相對地面運動，地面上的人測得該列車的長度為L′．則L′