人教高中物理同步講義練習(xí)必修二7.5 相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性 （原卷版）

7.5相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)課程標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)目標(biāo)1．知道牛頓力學(xué)的局限性，體會人類對自然界的探索是不斷深入的。2．初步了解相對論時空觀。3．關(guān)注宇宙起源和演化的研究進(jìn)展。1、感受牛頓力學(xué)在高速世界與事實的矛盾，知道牛頓力學(xué)只適用于低速、宏觀物體的運動。知道相對論、量子論有助于人類認(rèn)識高速、微觀領(lǐng)域。2、知道愛因斯坦狹義相對論的基本假設(shè)，知道長度相對性和時間間隔相對性的表達(dá)式。3、了解宇宙起源的大爆炸理論，知道科學(xué)真理是相對的，未知世界必將在人類不懈的探索中被揭開更多的謎底。002預(yù)習(xí)導(dǎo)學(xué)課前研讀課本，梳理基礎(chǔ)知識：一、兩個假設(shè)(1)狹義相對性原理：在不同的參考系中，一切物理規(guī)律都是的。(2)光速不變原理：的光速在不同的參考系中都是相同的，光速和光源、觀測者間的運動沒有關(guān)系。二、兩個效應(yīng)(1)時間延緩效應(yīng)：Δt＝(2)長度收縮效應(yīng)：l＝三、質(zhì)速關(guān)系：m＝（二）即時練習(xí)：【小試牛刀1】如圖所示，沿平直鐵路線有間距相等的三座鐵塔A、B和C.假想有一列車沿AC方向以接近光速的速度行駛，當(dāng)鐵塔B發(fā)出一個閃光，列車上的觀測者測得A、C兩鐵塔被照亮的順序是()A．同時被照亮B．A先被照亮C．C先被照亮D．無法判斷【小試牛刀2】（多選）對于公式m＝eq\f(m0,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2))，下列說法中正確的是()A．公式中的m0是物體以速度v運動時的質(zhì)量B．當(dāng)物體運動速度v>0時，物體的質(zhì)量m>m0，即物體的質(zhì)量改變了，故經(jīng)典力學(xué)不再適用C．當(dāng)物體以較小的速度運動時，質(zhì)量變化十分微小，經(jīng)典力學(xué)理論仍然適用，只有當(dāng)物體以接近光速的速度運動時，質(zhì)量變化才明顯，故經(jīng)典力學(xué)僅適用于低速運動，而不適用于高速運動D．通常由于物體的速度太小，質(zhì)量的變化不能引起我們的感覺，在分析地球上物體的運動時，不必考慮質(zhì)量變化【小試牛刀3】π＋介子是一不穩(wěn)定粒子，平均壽命是2.60×10－8s(在它自己參考系中測得)．(1)如果此粒子相對于實驗室以0.8c的速度運動，那么在實驗室坐標(biāo)系中測量的π＋介子壽命多長？(2)π＋介子在衰變前運動了多長距離？003題型精講【題型一】光速不變原理【典型例題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(fā)出一束光進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，則壯壯觀測到該光束的傳播速度為()A．0.4cB．0.5cC．0.9cD．c【典型例題2】關(guān)于狹義相對論的說法，不正確的是()A．狹義相對論認(rèn)為在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的B．狹義相對論認(rèn)為在一切慣性參考系中，光在真空中的速度都等于c，與光源的運動無關(guān)C．狹義相對論只涉及無加速運動的慣性系D．狹義相對論任何情況下都適用【對點訓(xùn)練1】如圖所示，考慮幾個問題：(1)如圖所示，參考系O′相對于參考系O靜止時，人看到的光速應(yīng)是多少？(2)參考系O′相對于參考系O以速度v向右運動，人看到的光速應(yīng)是多少？(3)參考系O相對于參考系O′以速度v向左運動，人看到的光速又是多少？【對點訓(xùn)練2】（多選）設(shè)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看到這一光速為1.5cB．飛船正后方地面上的觀察者看到這一光速為0.5cC．在垂直飛船前進(jìn)方向地面上的觀察者看到這一光速是cD．在地面上任何地方的觀察者看到的光速都是c【題型二】時間延緩效應(yīng)【典型例題3】(多選)接近光速飛行的飛船和地球上各有一只相同的銫原子鐘，飛船和地球上的人觀測這兩只鐘的快慢，下列說法正確的有()A．飛船上的人觀測到飛船上的鐘較快B．飛船上的人觀測到飛船上的鐘較慢C．地球上的人觀測到地球上的鐘較快D．地球上的人觀測到地球上的鐘較慢【典型例題4】長度測量與被測物體相對于觀察者的運動有關(guān)，一艘宇宙飛船的船身長度為l0＝90m，相對地面以v＝0.8c的速度在一觀測站的上空飛過。(光速c＝3.0×108m/s)(1)觀測站測得飛船的船身通過觀測站的時間間隔是多少？(2)宇航員測得船身通過觀測站的時間間隔是多少？【對點訓(xùn)練3】下列說法正確的是()A．全息照片的拍攝利用了光的衍射原理B．只有發(fā)生共振時，受迫振動的頻率才等于驅(qū)動力頻率C．高速飛離地球的飛船中的宇航員認(rèn)為地球上的時鐘變慢D．鳴笛汽車駛近路人的過程中，路人聽到的聲波頻率與該波源的頻率相比減小【對點訓(xùn)練4】有兩個慣性參考系1和2，彼此相對做勻速直線運動，下列敘述正確的是()A．在參考系1看來，2中的所有物理過程都變快了；在參考系2看來，1中的所有物理過程都變慢了B．在參考系1看來，2中的所有物理過程都變快了；在參考系2看來，1中的所有物理過程也變快了C．在參考系1看來，2中的所有物理過程都變慢了；在參考系2看來，1中的所有物理過程都變快了D．在參考系1看來，2中的所有物理過程都變慢了；在參考系2看來，1中的所有物理過程也變慢了【題型三】長度收縮效應(yīng)【典型例題5】一艘太空飛船靜止時的長度為30m，他以0.6c(c為光速)的速度沿長度方向飛行越過地球，下列說法正確的是()A．飛船上的觀測者測得該飛船的長度小于30mB．地球上的觀測者測得該飛船的長度小于30mC．飛船上的觀測者測得地球上發(fā)來的光信號速度小于cD．地球上的觀測者測得飛船上發(fā)來的光信號速度小于c【典型例題6】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)。地面上的人測得它們相距為L，則飛船A上的人測得兩飛船間的距離__________(選填“大于”“等于”或“小于”)L。當(dāng)B向A發(fā)出一光信號，飛船A上的人測得該信號的速度為__________________?！緦c訓(xùn)練5】[多選]下列說法中正確的是()A．地面附近有一高速水平飛過的火箭，地面上的人觀察到“火箭長度”要比火箭上的人觀察到的短一些B．拍攝玻璃櫥窗內(nèi)的物品時，往往在鏡頭前加一個偏振片以減弱反射光的強度C．在同種均勻介質(zhì)中傳播的聲波，頻率越高，波長也越長D．玻璃內(nèi)氣泡看起來特別明亮，是因為光線從氣泡中射出的原因【對點訓(xùn)練6】慣性系S中有一邊長為l的正方形(如圖A所示)．從相對S系沿x方向以接近光速的速度勻速飛行的飛行器上測得此正方形的圖形是()004體系構(gòu)建狹義相對論的三個有用的結(jié)論(1)運動的時鐘變慢了。(2)運動的尺子長度縮短了。(3)運動的物體質(zhì)量增大了。005記憶清單1．狹義相對論的兩個基本假設(shè)(1)狹義相對性原理:在不同的慣性參考系中,一切物理規(guī)律都是相同的。(2)光速不變原理:真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的,光速和光源、觀測者間的相對運動沒有關(guān)系。2．時間延緩效應(yīng)與長度收縮效應(yīng)(1)時間延緩效應(yīng):完成同一動作,在慣性參考系上的時間間隔Δτ和在地面上的人的時間間隔Δt之間的關(guān)系是Δt=Δτ由于1-vc2<1,所以總有Δt>Δτ,此種情況稱為時間延緩效應(yīng)。(2)長度收縮效應(yīng):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(guān)系是l=l01由于1-vc2<1,所以總有l(wèi)<l0,此種情況稱為長度收縮效應(yīng)。00601強化訓(xùn)練1．如圖所示，在地面上M點固定一光源，在離光源等距的A、B兩點上固定有兩個光接收器，今使光源發(fā)出一閃光，問：(1)在地面參考系中觀測，誰先接收到光信號？(2)在沿AB方向高速運動的火車參考系中觀測，誰先接收到光信號？2.（多選）下列說法中正確的是()A．根據(jù)牛頓萬有引力定律，當(dāng)星球質(zhì)量不變，半徑變?yōu)樵瓉淼囊话霑r，星球表面上物體所受的引力將變?yōu)樵瓉淼?倍B．按照廣義相對論，當(dāng)星球質(zhì)量不變，半徑變?yōu)樵瓉淼囊话霑r，星球表面上物體所受的引力將大于原來的4倍C．當(dāng)天體的實際半徑遠(yuǎn)大于引力半徑時，根據(jù)愛因斯坦的引力理論和牛頓理論計算出的力差別很大D．當(dāng)天體的實際半徑接近引力半徑時，根據(jù)愛因斯坦的引力理論和牛頓理論計算出的力相等3.2021年10月5日，三位科學(xué)家因為他們立于科學(xué)前沿探索世間奧秘，而共享諾貝爾物理學(xué)獎。物理學(xué)史上許多物理學(xué)家的科學(xué)研究推動了人類文明的進(jìn)程，關(guān)于相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性，下列說法正確的是（）A．經(jīng)典力學(xué)能夠說明微觀粒子的規(guī)律性，仍能適用于宏觀物體的高速運動問題B．相對論與量子力學(xué)的出現(xiàn)否定了經(jīng)典力學(xué)，表示經(jīng)典力學(xué)已失去意義C．經(jīng)典力學(xué)并不等于牛頓運動定律，牛頓運動定律只是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)D．經(jīng)典力學(xué)在現(xiàn)代廣泛應(yīng)用，它的正確性無可懷疑，仍是普遍適用的4.如圖所示，一同學(xué)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(cè)，已知光速為c、飛行器中的飛行員認(rèn)為（）A．教室中的時鐘變快B．教室的長度大于9mC．從光源發(fā)出的光先到達(dá)教室后壁D．光源發(fā)出的光，向后的速度小于c5.（多選）在狹義相對論中，下列說法正確的是（）A．一切運動物體相對于觀察者的速度都不能大于真空中的光速B．質(zhì)量、長度、時間的測量結(jié)果都是隨物體與觀察者的相對運動狀態(tài)而改變的C．慣性系中的觀察者，觀察一個與他做相對運動的時鐘時，會看到這個時鐘比與他相對靜止的相同的時鐘走得慢些D．大型粒子加速器能夠?qū)щ娏Ｗ蛹铀僦凉馑俚?9.9%，如果繼續(xù)加速，粒子的速度將超過光速6.（多選）在狹義相對論中，下列說法正確的是（）A．一切運動物體相對于觀察者的速度都不能大于真空中的光速B．質(zhì)量、長度、時間的測量結(jié)果都是隨物體與觀察者的相對運動狀態(tài)而改變的C．慣性系中的觀察者，觀察一個與他做相對運動的時鐘時，會看到這個時鐘比與他相對靜止的相同的時鐘走得慢些D．大型粒子加速器能夠?qū)щ娏Ｗ蛹铀僦凉馑俚?9.9%，如果繼續(xù)加速，粒子的速度將超過光速7.如圖所示，一列火車以速度v相對地面運動。如果地面上的人測得某光源發(fā)出的閃光同時到達(dá)車廂的前壁后壁，那么按照火車上人的測量，閃光（

）A．先到達(dá)前壁B．先到達(dá)后壁C．同時到達(dá)前后壁D．無法確定8．如圖所示，位于教室中央的光源發(fā)出一個閃光，閃光照到了教室的前壁和后壁。教室的長度為10m。在平行于教室高速運動的太空飛船上的觀察者（）A．測得照到前壁的光速度小于c B．觀測到飛船上的時間進(jìn)程比教室快C．測得教室的長度大于10m D．觀察到光先到達(dá)后壁9.如圖所示，地面上A、B兩處的中點處有一點光源S，甲觀察者站在光源旁，乙觀察者乘坐速度為v（接近光速）的火箭沿方向飛行，兩觀察者身邊各有一個事先在地面校準(zhǔn)了的相同的時鐘，下列對相關(guān)現(xiàn)象的描述中，正確的是（）A．甲測得的光速為c，乙測得的光速為B．甲認(rèn)為飛船中的鐘變慢了，乙認(rèn)為甲身邊的鐘變快了C．甲測得的間的距離小于乙測得的間的距離D.當(dāng)光源S發(fā)生一次閃光后，甲認(rèn)為A、B兩處同時接收到閃光，乙則認(rèn)為B先接收到閃光10．（多選）如圖甲，質(zhì)子束被加速到接近光速；如圖乙，中子星是質(zhì)量、密度非常大的星體，下列說法正確的是()A．經(jīng)典力學(xué)適用于質(zhì)子束的運動規(guī)律B．經(jīng)典力學(xué)不適用于質(zhì)子束的運動規(guī)律C．經(jīng)典力學(xué)適用于中子星的引力規(guī)律D．經(jīng)典力學(xué)不適用于中子星的引力規(guī)律11．下列說法符合史實的是（）A．開普勒在牛頓定律的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了行星運動的規(guī)律B．萬有引力常量由卡文迪許在實驗室里測出C．牛頓建立的經(jīng)典力學(xué)可以解決自然界中所有的問題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12.下列說法中正確的是(

)A.在中子星表面的強引力作用下，經(jīng)典力學(xué)仍舊適用

B.經(jīng)典力學(xué)適用于低速運動，不適用于高速運動；適用于微觀世界，不適用于宏觀世界

C.功是矢量，既有大小又有方向

D.正功表示做功的力為動力，負(fù)功表示做功的力為阻力13.遠(yuǎn)方的一顆星以0.8c的速度離開地球，測得它輻射出來的閃光按5晝夜的周期變化，求在此星球上測其閃光周期為多大？14.在高速行進(jìn)的火車車廂正中的閃光燈發(fā)一次閃光向周圍傳播，閃光到達(dá)車廂后壁時，一只小貓在車廂后端出生，閃光到達(dá)車廂前壁時，兩中小雞在車廂前端出生．則火車上的人看這件事，貓和雞中出生時間關(guān)系是_________________(雞先出生或貓先出生或同時出生)，在地面上的人看這件事，是__________(雞先出生或貓先出生或同時出生)15.下列說法正確的是(

)A.洗衣機(jī)脫水利用了水的重力