7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 同步练习-2021-2022学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册 (word含答案)
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| 名称 | 7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 同步练习-2021-2022学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册 (word含答案) |  | |
| 格式 | doc | ||
| 文件大小 | 327.0KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2021-10-11 07:55:46 | ||
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文档简介
第七章 万有引力与宇宙航行
5.相对论时空观与牛顿力学的局限性
1．下列属于狭义相对论基本假设的是：在不同的惯性系中( )
A．真空中光速不变
B．时间间隔具有相对性
C．物体的质量不变
D．物体的能量与质量成正比
2．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方向接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光时，列车上的观察者看到A、C两铁塔被照亮的顺序是( )
A．同时被照亮 B．A先被照亮
C．C先被照亮 D．无法判断
3．明明同学站在一条长木杆的中央附近，并且看到木杆落在地上时是两头同时落地，所以明明同学认为这木杆是平着落到了地上，而此时飞飞同学正以接近光速的速度从木杆前面掠过，如图所示，她看到( )
A．两端同时落地
B．A端比B端先落地
C．B端比A端先落地
D．木杆是向左倾斜着落地的
4．A、B两架飞机沿地面上一足球场的长轴方向在其上空高速飞过，且vA>vB，对于飞机上的人观察的结果，下列说法正确的是( )
A．A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的大
B．A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的小
C．两飞机上的人观察到足球场的长度相同
D．两飞机上的人观察到足球场的宽度不同
5．某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行，如果地球指挥中心希望把这路程缩短为3光年，则他所乘飞船相对地球的速度为( )
A．0.5c B．0.6c
C．0.8c D．0.9c
6．一张长方形宣传画长5 m、高3 m，平行地贴于铁路旁边的墙上，若一超高速列车以0.8c的速度沿铁路接近此宣传画，这张画由司机观察的图形是( )
A．边长为3 m的正方形
B．长为3 m、高为1.8 m的长方形
C．长为5 m、高为1.8 m的长方形
D．长轴为3 m、短轴为1.8 m的椭圆形
7．牛顿运动定律不适用于下列哪种情况( )
A．研究原子中电子的运动
B．研究“神舟十号”飞船的高速发射
C．研究地球绕太阳的运动
D．研究飞机从北京飞往纽约的航线
8 ．关于经典力学的局限性，下列说法正确的是( )
A．火车提速后，有关速度问题不能用经典力学来处理
B．由于经典力学有局限性，所以一般力学问题都用相对论力学来解决
C．经典力学适用于宏观低速运动的物体
D．经典力学只适用于像地球和太阳那样大的宏观物体
9．对于时空观的认识，下列说法正确的是( )
A．相对论给出了物体在低速运动时所遵循的规律
B．相对论具有普遍性，经典物理学为它在低速运动时的特例
C．相对论的出现使经典物理学在自己的适用范围内不再继续发挥作用
D．经典物理学建立在实验的基础上，它的结论又受到无数次实验的检验，因此在任何情况下都适用
10．用相对论的观点判断下列说法正确的是( )
A．时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度都不会改变
B．在地面上的人看来，以10 km/s的速度运动的飞船中的时钟会变快，但飞船中的宇航员却认为时钟是准确的
C．在地面上的人看来，以10 km/s的速度垂直地面向上运动的飞船在运动方向上会变短，而飞船中的宇航员却感觉地面上的人看起来比飞船中的人粗一些
D．当物体运动的速度v远小于c时，长度收缩效应和时间延缓效应都可以忽略不计
11．如图所示，竖直墙上挂着一面时钟，地面上的静止的观察者A观察到钟的面积为S，另一观察者B以0.8c的速度沿平行于y轴方向运动，观察到钟的面积为S′。则S和S′的大小关系是( )
A．S＞S′ B．S＝S′ C．S＜S′ D．无法判断
12．一枚静止时长30 m的火箭以1.5×108 m/s的速度从观察者的身边掠过，已知光速为3×108 m/s，观察者测得火箭的长度约为( )
A．30 m B．15 m
C．34 m D．26 m
13．关于经典力学理论，下列说法不正确的是( )
A．经典力学是物理学和天文学的基础，也是现代工程技术的理论基础
B．经典力学的理论体系是经过几代科学家长期的探索，历经曲折才建立起来的
C．经典力学具有丰富的理论成果，也建立了验证科学的方法体系
D．当物体运动速度很大(v→c)、引力很强、活动空间很小(微观)时，经典力学理论所得的结果与实验结果之间符合得很好
14．A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，vA＞vB，在火箭A上的人观察到的结果正确的是( )
A．火箭A上的时钟走得最快
B．地面上的时钟走得最快
C．火箭B上的时钟走得最快
D．火箭B上的时钟走得最慢
15．关于牛顿力学的适用范围和局限性，下列说法正确的是( )
A．牛顿力学过时了，应该被量子力学所取代
B．由于超音速飞机的速度太大，其运动不能用牛顿力学来解释
C．人造卫星的运动不适合用牛顿力学来描述
D．当物体的速度接近光速时，其运动规律不适合用牛顿力学来描述
16．地面上长100 km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30 km/s的速度掠过，则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少？如果火箭的速度达到0.6c，则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少？
17．星际航行是行星际航行和恒星际航行的统称，行星际航行是指太阳系内的航行，恒星际航行是指太阳系外的恒星际空间的飞行。不载人行星际航行已经实现，而恒星际航行尚处于探索阶段。
探究：半人马星座α星是离太阳系最近的恒星，它距地球为4.3×1016 m，设有一宇宙飞船自地球往返于半人马星座α星之间，若宇宙飞船的速度为0.999c，按地球上的时钟计算，飞船往返一次需多长时间？如以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为多长？
18．例如有一对孪生兄弟A和B，其中B乘坐速度为v＝0.9c的火箭飞往大角星(牧夫座α)，而后又飞回地球。根据A在地球上的观测，大角星离地球有36光年远，这次B往返飞行经历时间为80.8年。如果B在离开地球时，他们的年龄都为20岁，试问当B回到地球时，他们的年龄各有多大？
参考解析
1 A [狭义相对论的基本假设有：(1)狭义相对论的相对性原理——在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；(2)光速不变原理——对任意惯性参考系，真空中的光速都相等。只有选项A正确。]
2 C [因列车沿AC方向接近光速行驶，故它靠近C远离A，所以光由B出发后，C的反射光先到达列车上的观察者，可知观察到C先被照亮，故C正确。]
3 C [使飞飞同学所在的参考系静止，则明明和杆所在的参考系将以接近光速的速度沿BA方向运动。在车杆下落的同时，假设车AB中央有一光源开始发光，根据光速不变原理可知，光到达B所用时间比A短，故B事件先发生，即B端先落地，从飞飞的角度看，木杆是向右倾斜着落地的。]
4 B [根据l＝l0知，沿飞机飞行方向长度减小，而且速度越大，长度越小，故A、C错误，B正确；而垂直于运动方向上，宽度是不随速度变化的，故D错误。]
5 C [由l＝l0eq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c))))，＝，解得v＝c，故C正确。]
6 A [根据长度收缩效应有l＝l0eq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c))))，司机观察到宣传画的长度为5×0.6 m＝3 m，即图形是边长为3 m的正方形，故选项A正确。]
7 A [牛顿运动定律属于牛顿力学的研究范畴，适用于宏观低速运动的物体，并注意到低速和高速的标准是相对于光速而言的，可判定牛顿运动定律适用于B、C、D中描述的运动，而A中情况不适用，故A正确。]
8 C [经典力学有局限性，经典力学适用于宏观低速运动的物体，但对于一般力学问题仍能用经典力学来解决，所以即使在火车提速后，有关速度问题仍能用经典力学来处理，故A、B错误，C正确；经典力学不仅适用于像地球和太阳那样大的宏观物体，也适用一般尺寸的宏观物体，故D错误。]
9 B [相对论给出了物体在高速运动时所遵循的规律，经典物理学为它在低速运动时的特例，在自己的适用范围内还将继续发挥作用。经典物理学有简捷的优势。因此A、C、D错误，B正确。]
10 D [根据相对论可知，时间和空间都是相对的，没有绝对准确的时间和空间，A项错误：由Δt＝知，在地面上看运动的时钟会变慢，B项错误；由l′＝l可知两处的人都感觉l′＜l，C项错误；由时间延缓效应公式和长度收缩效应公式可知，当v远小于c时，时间延缓效应和长度收缩效应都可以忽略不计，D项正确。]
11 A [观察者B以0.8倍光速沿平行于y轴方向运动，根据狭义相对论的长度收缩效应可知，B观察到的钟沿y轴方向的直径将减小，而沿z轴方向的直径不变，钟的面积比地面上静止的观察者观察到的面积要小，即S＞S′，故A正确。]
12 D [根据长度的相对性公式L＝L0eq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c))))得，观察者测得火箭的长度为L＝30×eq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1.5×108,3×108)))) m≈26 m，故D正确，A、B、C错误。]
13 D [经典力学理论的建立历程曲折，成果显著，是物理学、天文学及现代工程技术的理论基础，但也存在一些局限性，当物体运动速度很大(v→c)、引力很强、活动空间很小(微观)时，经典力学理论所得的结果与实验结果之间出现了较大的偏差，选项A、B、C正确，D错误。]
14 A [在火箭A上的人看来，地面和火箭B都高速远离自己，由Δt＝eq \f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))))知，在火箭A上的人观察到的结果是地面和火箭B上的时钟都变慢了，且vA＞vB，故地面上的时钟最慢，故A正确，B、C、D错误。]
15 D [牛顿力学没有过时，在低速宏观问题中仍然适用，故A错误；超音速飞机的速度远低于光速，其运动能用牛顿力学来解释，故B错误；人造卫星的运动速度远低于光速，适合用牛顿力学来描述，故C错误；当物体的速度接近光速时，其运动规律不适合用牛顿力学来描述，故D正确。]
16[答案] 100 km 80 km
[解析] 当火箭速度较低时，长度基本不变，还是100 km。
当火箭的速度达到0.6c时，由相对论长度公式
l＝l0 eq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c))))
代入相应的数据解得l＝100× km＝80 km。
17 [答案] 9年 0.4年
[解析] 以地球上的时钟计算：
Δt＝＝ s≈2.87×108 s≈9年，若以飞船上的时钟计算，设时间为Δt′，由时间延缓效应有Δt＝eq \f(Δt′,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))))，所以得Δt′＝Δteq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c))))＝2.87×108× s≈1.28×107 s≈0.4年。
18 [答案] 100.8岁 55.2岁
[解析] 设B在飞船惯性系中经历时间为t′，根据时间延缓效应得：t＝，即80.8＝，解得t′≈35.2年。所以B回到地球时的年龄为20＋35.2＝55.2(岁)；此时A的年龄为20＋80.8＝100.8(岁)。
5.相对论时空观与牛顿力学的局限性
1．下列属于狭义相对论基本假设的是：在不同的惯性系中( )
A．真空中光速不变
B．时间间隔具有相对性
C．物体的质量不变
D．物体的能量与质量成正比
2．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方向接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光时，列车上的观察者看到A、C两铁塔被照亮的顺序是( )
A．同时被照亮 B．A先被照亮
C．C先被照亮 D．无法判断
3．明明同学站在一条长木杆的中央附近，并且看到木杆落在地上时是两头同时落地，所以明明同学认为这木杆是平着落到了地上，而此时飞飞同学正以接近光速的速度从木杆前面掠过，如图所示，她看到( )
A．两端同时落地
B．A端比B端先落地
C．B端比A端先落地
D．木杆是向左倾斜着落地的
4．A、B两架飞机沿地面上一足球场的长轴方向在其上空高速飞过，且vA>vB，对于飞机上的人观察的结果，下列说法正确的是( )
A．A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的大
B．A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的小
C．两飞机上的人观察到足球场的长度相同
D．两飞机上的人观察到足球场的宽度不同
5．某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行，如果地球指挥中心希望把这路程缩短为3光年，则他所乘飞船相对地球的速度为( )
A．0.5c B．0.6c
C．0.8c D．0.9c
6．一张长方形宣传画长5 m、高3 m，平行地贴于铁路旁边的墙上，若一超高速列车以0.8c的速度沿铁路接近此宣传画，这张画由司机观察的图形是( )
A．边长为3 m的正方形
B．长为3 m、高为1.8 m的长方形
C．长为5 m、高为1.8 m的长方形
D．长轴为3 m、短轴为1.8 m的椭圆形
7．牛顿运动定律不适用于下列哪种情况( )
A．研究原子中电子的运动
B．研究“神舟十号”飞船的高速发射
C．研究地球绕太阳的运动
D．研究飞机从北京飞往纽约的航线
8 ．关于经典力学的局限性，下列说法正确的是( )
A．火车提速后，有关速度问题不能用经典力学来处理
B．由于经典力学有局限性，所以一般力学问题都用相对论力学来解决
C．经典力学适用于宏观低速运动的物体
D．经典力学只适用于像地球和太阳那样大的宏观物体
9．对于时空观的认识，下列说法正确的是( )
A．相对论给出了物体在低速运动时所遵循的规律
B．相对论具有普遍性，经典物理学为它在低速运动时的特例
C．相对论的出现使经典物理学在自己的适用范围内不再继续发挥作用
D．经典物理学建立在实验的基础上，它的结论又受到无数次实验的检验，因此在任何情况下都适用
10．用相对论的观点判断下列说法正确的是( )
A．时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度都不会改变
B．在地面上的人看来，以10 km/s的速度运动的飞船中的时钟会变快，但飞船中的宇航员却认为时钟是准确的
C．在地面上的人看来，以10 km/s的速度垂直地面向上运动的飞船在运动方向上会变短，而飞船中的宇航员却感觉地面上的人看起来比飞船中的人粗一些
D．当物体运动的速度v远小于c时，长度收缩效应和时间延缓效应都可以忽略不计
11．如图所示，竖直墙上挂着一面时钟，地面上的静止的观察者A观察到钟的面积为S，另一观察者B以0.8c的速度沿平行于y轴方向运动，观察到钟的面积为S′。则S和S′的大小关系是( )
A．S＞S′ B．S＝S′ C．S＜S′ D．无法判断
12．一枚静止时长30 m的火箭以1.5×108 m/s的速度从观察者的身边掠过，已知光速为3×108 m/s，观察者测得火箭的长度约为( )
A．30 m B．15 m
C．34 m D．26 m
13．关于经典力学理论，下列说法不正确的是( )
A．经典力学是物理学和天文学的基础，也是现代工程技术的理论基础
B．经典力学的理论体系是经过几代科学家长期的探索，历经曲折才建立起来的
C．经典力学具有丰富的理论成果，也建立了验证科学的方法体系
D．当物体运动速度很大(v→c)、引力很强、活动空间很小(微观)时，经典力学理论所得的结果与实验结果之间符合得很好
14．A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，vA＞vB，在火箭A上的人观察到的结果正确的是( )
A．火箭A上的时钟走得最快
B．地面上的时钟走得最快
C．火箭B上的时钟走得最快
D．火箭B上的时钟走得最慢
15．关于牛顿力学的适用范围和局限性，下列说法正确的是( )
A．牛顿力学过时了，应该被量子力学所取代
B．由于超音速飞机的速度太大，其运动不能用牛顿力学来解释
C．人造卫星的运动不适合用牛顿力学来描述
D．当物体的速度接近光速时，其运动规律不适合用牛顿力学来描述
16．地面上长100 km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30 km/s的速度掠过，则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少？如果火箭的速度达到0.6c，则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少？
17．星际航行是行星际航行和恒星际航行的统称，行星际航行是指太阳系内的航行，恒星际航行是指太阳系外的恒星际空间的飞行。不载人行星际航行已经实现，而恒星际航行尚处于探索阶段。
探究：半人马星座α星是离太阳系最近的恒星，它距地球为4.3×1016 m，设有一宇宙飞船自地球往返于半人马星座α星之间，若宇宙飞船的速度为0.999c，按地球上的时钟计算，飞船往返一次需多长时间？如以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为多长？
18．例如有一对孪生兄弟A和B，其中B乘坐速度为v＝0.9c的火箭飞往大角星(牧夫座α)，而后又飞回地球。根据A在地球上的观测，大角星离地球有36光年远，这次B往返飞行经历时间为80.8年。如果B在离开地球时，他们的年龄都为20岁，试问当B回到地球时，他们的年龄各有多大？
参考解析
1 A [狭义相对论的基本假设有：(1)狭义相对论的相对性原理——在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；(2)光速不变原理——对任意惯性参考系，真空中的光速都相等。只有选项A正确。]
2 C [因列车沿AC方向接近光速行驶，故它靠近C远离A，所以光由B出发后，C的反射光先到达列车上的观察者，可知观察到C先被照亮，故C正确。]
3 C [使飞飞同学所在的参考系静止，则明明和杆所在的参考系将以接近光速的速度沿BA方向运动。在车杆下落的同时，假设车AB中央有一光源开始发光，根据光速不变原理可知，光到达B所用时间比A短，故B事件先发生，即B端先落地，从飞飞的角度看，木杆是向右倾斜着落地的。]
4 B [根据l＝l0知，沿飞机飞行方向长度减小，而且速度越大，长度越小，故A、C错误，B正确；而垂直于运动方向上，宽度是不随速度变化的，故D错误。]
5 C [由l＝l0eq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c))))，＝，解得v＝c，故C正确。]
6 A [根据长度收缩效应有l＝l0eq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c))))，司机观察到宣传画的长度为5×0.6 m＝3 m，即图形是边长为3 m的正方形，故选项A正确。]
7 A [牛顿运动定律属于牛顿力学的研究范畴，适用于宏观低速运动的物体，并注意到低速和高速的标准是相对于光速而言的，可判定牛顿运动定律适用于B、C、D中描述的运动，而A中情况不适用，故A正确。]
8 C [经典力学有局限性，经典力学适用于宏观低速运动的物体，但对于一般力学问题仍能用经典力学来解决，所以即使在火车提速后，有关速度问题仍能用经典力学来处理，故A、B错误，C正确；经典力学不仅适用于像地球和太阳那样大的宏观物体，也适用一般尺寸的宏观物体，故D错误。]
9 B [相对论给出了物体在高速运动时所遵循的规律，经典物理学为它在低速运动时的特例，在自己的适用范围内还将继续发挥作用。经典物理学有简捷的优势。因此A、C、D错误，B正确。]
10 D [根据相对论可知，时间和空间都是相对的，没有绝对准确的时间和空间，A项错误：由Δt＝知，在地面上看运动的时钟会变慢，B项错误；由l′＝l可知两处的人都感觉l′＜l，C项错误；由时间延缓效应公式和长度收缩效应公式可知，当v远小于c时，时间延缓效应和长度收缩效应都可以忽略不计，D项正确。]
11 A [观察者B以0.8倍光速沿平行于y轴方向运动，根据狭义相对论的长度收缩效应可知，B观察到的钟沿y轴方向的直径将减小，而沿z轴方向的直径不变，钟的面积比地面上静止的观察者观察到的面积要小，即S＞S′，故A正确。]
12 D [根据长度的相对性公式L＝L0eq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c))))得，观察者测得火箭的长度为L＝30×eq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1.5×108,3×108)))) m≈26 m，故D正确，A、B、C错误。]
13 D [经典力学理论的建立历程曲折，成果显著，是物理学、天文学及现代工程技术的理论基础，但也存在一些局限性，当物体运动速度很大(v→c)、引力很强、活动空间很小(微观)时，经典力学理论所得的结果与实验结果之间出现了较大的偏差，选项A、B、C正确，D错误。]
14 A [在火箭A上的人看来，地面和火箭B都高速远离自己，由Δt＝eq \f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))))知，在火箭A上的人观察到的结果是地面和火箭B上的时钟都变慢了，且vA＞vB，故地面上的时钟最慢，故A正确，B、C、D错误。]
15 D [牛顿力学没有过时，在低速宏观问题中仍然适用，故A错误；超音速飞机的速度远低于光速，其运动能用牛顿力学来解释，故B错误；人造卫星的运动速度远低于光速，适合用牛顿力学来描述，故C错误；当物体的速度接近光速时，其运动规律不适合用牛顿力学来描述，故D正确。]
16[答案] 100 km 80 km
[解析] 当火箭速度较低时，长度基本不变，还是100 km。
当火箭的速度达到0.6c时，由相对论长度公式
l＝l0 eq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c))))
代入相应的数据解得l＝100× km＝80 km。
17 [答案] 9年 0.4年
[解析] 以地球上的时钟计算：
Δt＝＝ s≈2.87×108 s≈9年，若以飞船上的时钟计算，设时间为Δt′，由时间延缓效应有Δt＝eq \f(Δt′,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))))，所以得Δt′＝Δteq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c))))＝2.87×108× s≈1.28×107 s≈0.4年。
18 [答案] 100.8岁 55.2岁
[解析] 设B在飞船惯性系中经历时间为t′，根据时间延缓效应得：t＝，即80.8＝，解得t′≈35.2年。所以B回到地球时的年龄为20＋35.2＝55.2(岁)；此时A的年龄为20＋80.8＝100.8(岁)。