7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 同步练习题（word版含答案）
文档属性
| 名称 | 7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 同步练习题（word版含答案） |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 221.0KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2022-01-23 10:51:22 | ||
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文档简介
7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性
一、单选题
1．经典力学规律有其局限性。物体以下列哪个速度运动时，经典力学规律不适用（ ）
A．2.5×10-5 m/s B．2.5×102 m/s C．3.5×103 m/s D．2.5×108 m/s
2．下列说法正确的是（ ）
A．据报道有人在从武汉到广州的高速列车中，自己手表变慢了，说明了经典力学的局限性
B．加速上行电梯中的物体对地板压力比电梯停止的时候大，不能用经典力学观点解释
C．牛顿利用大量的实验得出了万有引力定律
D．经典力学适用于低速运动、宏观世界
3．下列说法正确的是（ ）
A．牛顿力学能够说明微观粒子的规律性
B．牛顿力学适用于宏观物体的低速运动问题，不适用于高速运动的物体
C．相对论与量子力学的出现，说明牛顿力学已失去意义
D．对于宏观物体的高速运动问题，牛顿力学仍适用
4．如下图所示，惯性系S中有一边长为l的立方体，从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上观察该立方体的形状是（ ）
A． B．
C． D．
5．如图所示，两艘飞船A，B沿同一直线同向飞行，相对地面的速度均为（接近光速）。地面上测得它们相距为，根据相对论时空观，则A测得两飞船间的距离（ ）
A．大于 B．等于 C．小于 D．与无关
6．爱因斯坦于1905年在德国《物理年鉴》发表了论文《论动体的电动力学》，论文首先提出狭义相对论。根据狭义相对论，下列说法正确的是（ ）
A．真空中的光速在不同惯性参考系中是不相同的
B．物体在接近光速运动时，它沿运动方向上的长度会变短
C．质量的测量结果与物体相对观察者的相对运动状态无关
D．狭义相对论彻底推翻了牛顿的经典物理学
7．如果你以接近于光速的速度朝某一星体飞行，如图所示。下列说法正确的是（ ）
A．你根据你的质量在增加发觉自己在运动
B．你根据你的心脏跳动在慢下来发觉自己在运动
C．你根据你在变小发觉自己在运动
D．你永远不能由自身的变化知道你的速度
二、多选题
8．来自中国的全国首颗量子科学实验卫星“墨子号”从太空发出两道红色的光，射向青海德令哈站与千公里外的云南丽江高美古站，首次实现人类历史上第一次距离达“千公里级”的量子密钥分发。下列说法正确的是（ ）
A．牛顿力学适用于描述“墨子号”绕地球运动的规律
B．牛顿力学适用于描述光子的运动规律
C．量子力学可以描述“墨子号”发出的“两道红色的光”的运动规律
D．量子力学的发现说明牛顿力学已失去了实用价值
9．下列说法正确的是（ ）
A．相对论时空观认为空间和时间是独立于物体及其运动而存在的
B．相对论时空观认为物体的长度会因物体的速度不同而不同
C．牛顿力学只适用于宏观物体、低速运动的问题，不适用于接近光速的问题
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仍有很大的区别
10．关于经典力学的局限性，下列说法正确的是（ ）
A．经典力学没有局限性
B．经典力学的应用受到物体运动速度的限制，当物体运动的速度接近于真空中的光速时，经典力学就不适用了
C．经典力学不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象
D．经典力学认为时间和空间是分离的，没有关系
三、填空题
11．牛顿运动定律只适用于_____运动的_____现象。如物体的运动速度接近光速（）时，必须由_____提出的_____来研究，如研究电子、质子、光子等微观粒子的物理现象时必须由_____力学来说明解决。
12．牛顿的最主要贡献是：建立了以_____定律为基础的力学理论：发现了_____、_____；创立了_____。牛顿最有影响的著作是《_____》。
13．如图所示，沿平直铁路线有间距均为L的三座铁塔A、B和C，三座铁塔高也均为L．假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶，列车上的观测者测得塔高_______（选填“小于”、“等于”或“大于”）相邻塔间间距．当铁塔B发出一个闪光，列车上的观测者测得铁塔________（选填“A”或“C”）先被照亮．
四、解答题
14．地球绕太阳公转的速度是3×104 m/s，设在美国伊利诺斯州费米实验室的圆形粒子加速器可以把电子加速到0.999 999 999 987倍光速的速度，请思考：
（1）在狭义相对论中，地球的公转速度属于低速还是高速？被加速器加速后的电子的速度属于低速还是高速？
（2）在地面上校准的两只钟，一只留在地面上，一只随宇宙飞船遨游太空，隔一段时间飞船返回地面时，两只钟显示的时间相同吗？有什么差别？
15．一个立方体的静止体积为，当它相对某惯性系沿一边长方向以v匀速运动时，静止在惯性系中的观察者测得其体积为多少？
16．某物体静止时的质量为1Kg,若该物体分别以100m/s和0.9倍光速运动，试按照狭义相对论的观点分别计算出物体在两种情况下的质量，此结果说明了什么？
17．研究高空宇宙射线时，发现了一种不稳定的基本粒子，称为介子，质量约为电子质量的273倍，它带有一个电子电荷量的正电荷或负电荷，称为π＋或π－，若参考系中π±介子处于静止，它们的平均寿命为τ＝2.56×10－8s，设π±介子以0.9c的速率运动，求：
(1)在实验室参考系中观测到的该粒子的平均寿命；
(2)在实验室参考系中观测到该粒子运动的平均距离；
(3)该粒子运动时的动能。
试卷第4页，共4页
试卷第3页，共4页
参考答案
1．D
【详解】
当物体速度接近光速3.0×108 m/s时，由相对论规律可知，物体的质量将随速度的变化而变化，经典力学不再适用。
故选D。
2．D
【详解】
A．从武汉到广州的高速列车中的速度与光速相比是可以忽略不计的，故不需要考虑相对论效应，故A错误；
B．加速上行电梯中的物体对地板压力比电梯停止的时候大，是超重，可以根据牛顿第二定律解释，故B错误；
C．万有引力定律是牛顿利用开普勒定律和牛顿定律推导出的，并没有利用大量的实验，故C错误；
D．经典力学适用于低速运动、宏观世界，不适用与高速移动的微观粒子，故D正确；
故选D。
3．B
【详解】
牛顿力学适用于宏观、低速运动的物体，不适用于高速运动的物体，也不能说明微观粒子的规律性，相对论与量子力学的出现，是一种完善和拓展，牛顿力学并没有失去其存在的意义。
故选B。
4．D
【详解】
根据相对论效应可知，沿x轴方向正方形边长缩短，沿y轴方向正方形边长不变。
故选D。
5．A
【详解】
根据
L0为在相对静止参考系中的长度，L为在相对运动参考系中的长度，地面上测得它们相距为L，是以高速飞船为参考系，而A测得的长度为以静止参考系的长度，大于L。
故选A。
6．B
【详解】
A．真空中的光速在不同惯性参考系中是相同的，A错误；
B．根据狭义相对论的几个基本结论可得，物体在接近光速运动时，它沿运动方向上的长度会变短，B正确；
C．根据狭义相对论的几个基本结论可得，质量的测量结果会随物体相对观察者的相对运动状态的改变而改变，C错误；
D．相对论的出现，并没有否定经典物理学，经典物理学是相对论在低速运动条件下的特殊情形，D错误。
故选B。
7．D
【详解】
根据狭义相对论知识可知，宇航员以飞船为惯性系，其相对于惯性系的速度始终为零，因此他不可发现自身变化，也不能由自身变化知道他的速度。
故选D。
8．AC
【详解】
A．牛顿力学可以用来描述物体的宏观低速运动，故牛顿力学适用于描述“墨子号”绕地球运动的规律，A正确；
B．对于运动速度接近光速的物体的运动，不适合用牛顿力学来描述，故B错误；
C．量子力学可以描述“墨子号”发出的“两道红色的光”的运动规律，因为红光运动速度为光速，所以需考虑相对论效应，使用量子力学描述，故C正确；
D．量子力学和牛顿力学适用范围不同，量子力学适用于高速运动，在宏观低速运动中，牛顿力学仍然适用，不能说牛顿力学已经失去了实用价值，故D错误。
故选AC。
9．BC
【详解】
A．经典时空观认为空间和时间是独立于物体及其运动而存在的，而相对论时空观认为时间和空间与物体及其运动有关系，故A错误；
B．相对论时空观认为物体的长度会因物体的速度不同而不同，选项B正确；
C．牛顿力学只适用于宏观物体、低速运动的问题，不适用于微观高速，接近光速的问题，选项C正确；
D．当物体的运动速度远小于光速时，相对论和经典力学的结论没有区别，故D错误；
故选BC。
10．BCD
【详解】
AB．经典力学仅适用于宏观、低速运动的物体，当物体运动的速度接近于真空中的光速时，经典力学就不再适用了，故A错误、B正确；
C．经典力学无法解释微观领域中的物质结构和能量不连续的现象，故C正确；
D．经典力学中的时间和空间是绝对的，是独立于物体及其运动的，即经典力学的时间和空间与物体无关，与物体的运动无关，故D正确。
故选BCD。
11．低速 宏观 爱因斯坦 相对论 量子
【详解】
牛顿运动定律只适用于低速运动的宏观现象。如物体的运动速度接近光速（）时，必须由爱因斯坦提出的相对论来研究，如研究电子、质子、光子等微观粒子的物理现象时必须由量子力学来说明解决。
12．三大运动 万有引力定律 光的色散 微积分 自然哲学的数学原理
【详解】
牛顿的最主要贡献是：建立了以三大运动定律为基础的力学理论：发现了万有引力定律、光的色散；创立了微积分。
牛顿最有影响的著作是《自然哲学的数学原理》。
13．大于 C
【分析】
狭义相对论有两个显著的效应，即时间延迟和尺度缩短，在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短，这就是所谓的尺缩效应；同时在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．
【详解】
由于车沿AC方向运动，根据相对论可知，两塔之间的测量的距离将减小，但是测量塔的高度不变，所以列车上的观察者测得塔高大于相邻塔间间距；
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．
【点睛】
本题考查相对论初步，关键要掌握这些知识点的基础知识．
14．（1）地球的公转速度属于低速，被加速器加速后的电子的速度属于高速；（2）不相同，随飞船旅行的时钟变慢。
【解析】
15．
【详解】
设立方体边长为L，则
根据相对论原理，沿速度方向的长度变为
则体积
16．在物体的速度为100m/s和0.9倍光速时，根据分别算出两种情况下的质量为
由此可见：一般物体的运动，不考虑其质量的变化．当其速度接近光速时，质量变化明显．
【详解】
在物体的速度为100m/s和0.9倍光速时，根据分别算出两种情况下的质量为
由此可见：一般物体的运动，不考虑其质量的变化．当其速度接近光速时，质量变化明显．
【点睛】
此题关键是知道物体的动质量方程，并能理解公式的物理意义.
17．(1)5.87×10－8s；(2)15.85m；(3)2.89×10－11J
【详解】
(1)粒子运动时，在和粒子相对静止的参考系中，粒子的寿命仍为τ＝2.56×10－8s，而此时实验室中观测到的寿命τ′应比τ大，满足
τ′＝＝s＝5.87×10－8s
(2)平均距离
d＝vτ′＝0.9×3×108×5.87×10－8m＝15.85m
(3)粒子的静止质量
m0＝273×9.1×10－31kg＝2.48×10－28kg
粒子的动能为
Ek＝mc2－m0c2＝（－m0）c2＝3.21×10－28×9×1016J＝2.89×10－11J答案第6页，共1页
答案第5页，共5页
一、单选题
1．经典力学规律有其局限性。物体以下列哪个速度运动时，经典力学规律不适用（ ）
A．2.5×10-5 m/s B．2.5×102 m/s C．3.5×103 m/s D．2.5×108 m/s
2．下列说法正确的是（ ）
A．据报道有人在从武汉到广州的高速列车中，自己手表变慢了，说明了经典力学的局限性
B．加速上行电梯中的物体对地板压力比电梯停止的时候大，不能用经典力学观点解释
C．牛顿利用大量的实验得出了万有引力定律
D．经典力学适用于低速运动、宏观世界
3．下列说法正确的是（ ）
A．牛顿力学能够说明微观粒子的规律性
B．牛顿力学适用于宏观物体的低速运动问题，不适用于高速运动的物体
C．相对论与量子力学的出现，说明牛顿力学已失去意义
D．对于宏观物体的高速运动问题，牛顿力学仍适用
4．如下图所示，惯性系S中有一边长为l的立方体，从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上观察该立方体的形状是（ ）
A． B．
C． D．
5．如图所示，两艘飞船A，B沿同一直线同向飞行，相对地面的速度均为（接近光速）。地面上测得它们相距为，根据相对论时空观，则A测得两飞船间的距离（ ）
A．大于 B．等于 C．小于 D．与无关
6．爱因斯坦于1905年在德国《物理年鉴》发表了论文《论动体的电动力学》，论文首先提出狭义相对论。根据狭义相对论，下列说法正确的是（ ）
A．真空中的光速在不同惯性参考系中是不相同的
B．物体在接近光速运动时，它沿运动方向上的长度会变短
C．质量的测量结果与物体相对观察者的相对运动状态无关
D．狭义相对论彻底推翻了牛顿的经典物理学
7．如果你以接近于光速的速度朝某一星体飞行，如图所示。下列说法正确的是（ ）
A．你根据你的质量在增加发觉自己在运动
B．你根据你的心脏跳动在慢下来发觉自己在运动
C．你根据你在变小发觉自己在运动
D．你永远不能由自身的变化知道你的速度
二、多选题
8．来自中国的全国首颗量子科学实验卫星“墨子号”从太空发出两道红色的光，射向青海德令哈站与千公里外的云南丽江高美古站，首次实现人类历史上第一次距离达“千公里级”的量子密钥分发。下列说法正确的是（ ）
A．牛顿力学适用于描述“墨子号”绕地球运动的规律
B．牛顿力学适用于描述光子的运动规律
C．量子力学可以描述“墨子号”发出的“两道红色的光”的运动规律
D．量子力学的发现说明牛顿力学已失去了实用价值
9．下列说法正确的是（ ）
A．相对论时空观认为空间和时间是独立于物体及其运动而存在的
B．相对论时空观认为物体的长度会因物体的速度不同而不同
C．牛顿力学只适用于宏观物体、低速运动的问题，不适用于接近光速的问题
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仍有很大的区别
10．关于经典力学的局限性，下列说法正确的是（ ）
A．经典力学没有局限性
B．经典力学的应用受到物体运动速度的限制，当物体运动的速度接近于真空中的光速时，经典力学就不适用了
C．经典力学不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象
D．经典力学认为时间和空间是分离的，没有关系
三、填空题
11．牛顿运动定律只适用于_____运动的_____现象。如物体的运动速度接近光速（）时，必须由_____提出的_____来研究，如研究电子、质子、光子等微观粒子的物理现象时必须由_____力学来说明解决。
12．牛顿的最主要贡献是：建立了以_____定律为基础的力学理论：发现了_____、_____；创立了_____。牛顿最有影响的著作是《_____》。
13．如图所示，沿平直铁路线有间距均为L的三座铁塔A、B和C，三座铁塔高也均为L．假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶，列车上的观测者测得塔高_______（选填“小于”、“等于”或“大于”）相邻塔间间距．当铁塔B发出一个闪光，列车上的观测者测得铁塔________（选填“A”或“C”）先被照亮．
四、解答题
14．地球绕太阳公转的速度是3×104 m/s，设在美国伊利诺斯州费米实验室的圆形粒子加速器可以把电子加速到0.999 999 999 987倍光速的速度，请思考：
（1）在狭义相对论中，地球的公转速度属于低速还是高速？被加速器加速后的电子的速度属于低速还是高速？
（2）在地面上校准的两只钟，一只留在地面上，一只随宇宙飞船遨游太空，隔一段时间飞船返回地面时，两只钟显示的时间相同吗？有什么差别？
15．一个立方体的静止体积为，当它相对某惯性系沿一边长方向以v匀速运动时，静止在惯性系中的观察者测得其体积为多少？
16．某物体静止时的质量为1Kg,若该物体分别以100m/s和0.9倍光速运动，试按照狭义相对论的观点分别计算出物体在两种情况下的质量，此结果说明了什么？
17．研究高空宇宙射线时，发现了一种不稳定的基本粒子，称为介子，质量约为电子质量的273倍，它带有一个电子电荷量的正电荷或负电荷，称为π＋或π－，若参考系中π±介子处于静止，它们的平均寿命为τ＝2.56×10－8s，设π±介子以0.9c的速率运动，求：
(1)在实验室参考系中观测到的该粒子的平均寿命；
(2)在实验室参考系中观测到该粒子运动的平均距离；
(3)该粒子运动时的动能。
试卷第4页，共4页
试卷第3页，共4页
参考答案
1．D
【详解】
当物体速度接近光速3.0×108 m/s时，由相对论规律可知，物体的质量将随速度的变化而变化，经典力学不再适用。
故选D。
2．D
【详解】
A．从武汉到广州的高速列车中的速度与光速相比是可以忽略不计的，故不需要考虑相对论效应，故A错误；
B．加速上行电梯中的物体对地板压力比电梯停止的时候大，是超重，可以根据牛顿第二定律解释，故B错误；
C．万有引力定律是牛顿利用开普勒定律和牛顿定律推导出的，并没有利用大量的实验，故C错误；
D．经典力学适用于低速运动、宏观世界，不适用与高速移动的微观粒子，故D正确；
故选D。
3．B
【详解】
牛顿力学适用于宏观、低速运动的物体，不适用于高速运动的物体，也不能说明微观粒子的规律性，相对论与量子力学的出现，是一种完善和拓展，牛顿力学并没有失去其存在的意义。
故选B。
4．D
【详解】
根据相对论效应可知，沿x轴方向正方形边长缩短，沿y轴方向正方形边长不变。
故选D。
5．A
【详解】
根据
L0为在相对静止参考系中的长度，L为在相对运动参考系中的长度，地面上测得它们相距为L，是以高速飞船为参考系，而A测得的长度为以静止参考系的长度，大于L。
故选A。
6．B
【详解】
A．真空中的光速在不同惯性参考系中是相同的，A错误；
B．根据狭义相对论的几个基本结论可得，物体在接近光速运动时，它沿运动方向上的长度会变短，B正确；
C．根据狭义相对论的几个基本结论可得，质量的测量结果会随物体相对观察者的相对运动状态的改变而改变，C错误；
D．相对论的出现，并没有否定经典物理学，经典物理学是相对论在低速运动条件下的特殊情形，D错误。
故选B。
7．D
【详解】
根据狭义相对论知识可知，宇航员以飞船为惯性系，其相对于惯性系的速度始终为零，因此他不可发现自身变化，也不能由自身变化知道他的速度。
故选D。
8．AC
【详解】
A．牛顿力学可以用来描述物体的宏观低速运动，故牛顿力学适用于描述“墨子号”绕地球运动的规律，A正确；
B．对于运动速度接近光速的物体的运动，不适合用牛顿力学来描述，故B错误；
C．量子力学可以描述“墨子号”发出的“两道红色的光”的运动规律，因为红光运动速度为光速，所以需考虑相对论效应，使用量子力学描述，故C正确；
D．量子力学和牛顿力学适用范围不同，量子力学适用于高速运动，在宏观低速运动中，牛顿力学仍然适用，不能说牛顿力学已经失去了实用价值，故D错误。
故选AC。
9．BC
【详解】
A．经典时空观认为空间和时间是独立于物体及其运动而存在的，而相对论时空观认为时间和空间与物体及其运动有关系，故A错误；
B．相对论时空观认为物体的长度会因物体的速度不同而不同，选项B正确；
C．牛顿力学只适用于宏观物体、低速运动的问题，不适用于微观高速，接近光速的问题，选项C正确；
D．当物体的运动速度远小于光速时，相对论和经典力学的结论没有区别，故D错误；
故选BC。
10．BCD
【详解】
AB．经典力学仅适用于宏观、低速运动的物体，当物体运动的速度接近于真空中的光速时，经典力学就不再适用了，故A错误、B正确；
C．经典力学无法解释微观领域中的物质结构和能量不连续的现象，故C正确；
D．经典力学中的时间和空间是绝对的，是独立于物体及其运动的，即经典力学的时间和空间与物体无关，与物体的运动无关，故D正确。
故选BCD。
11．低速 宏观 爱因斯坦 相对论 量子
【详解】
牛顿运动定律只适用于低速运动的宏观现象。如物体的运动速度接近光速（）时，必须由爱因斯坦提出的相对论来研究，如研究电子、质子、光子等微观粒子的物理现象时必须由量子力学来说明解决。
12．三大运动 万有引力定律 光的色散 微积分 自然哲学的数学原理
【详解】
牛顿的最主要贡献是：建立了以三大运动定律为基础的力学理论：发现了万有引力定律、光的色散；创立了微积分。
牛顿最有影响的著作是《自然哲学的数学原理》。
13．大于 C
【分析】
狭义相对论有两个显著的效应，即时间延迟和尺度缩短，在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短，这就是所谓的尺缩效应；同时在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．
【详解】
由于车沿AC方向运动，根据相对论可知，两塔之间的测量的距离将减小，但是测量塔的高度不变，所以列车上的观察者测得塔高大于相邻塔间间距；
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．
【点睛】
本题考查相对论初步，关键要掌握这些知识点的基础知识．
14．（1）地球的公转速度属于低速，被加速器加速后的电子的速度属于高速；（2）不相同，随飞船旅行的时钟变慢。
【解析】
15．
【详解】
设立方体边长为L，则
根据相对论原理，沿速度方向的长度变为
则体积
16．在物体的速度为100m/s和0.9倍光速时，根据分别算出两种情况下的质量为
由此可见：一般物体的运动，不考虑其质量的变化．当其速度接近光速时，质量变化明显．
【详解】
在物体的速度为100m/s和0.9倍光速时，根据分别算出两种情况下的质量为
由此可见：一般物体的运动，不考虑其质量的变化．当其速度接近光速时，质量变化明显．
【点睛】
此题关键是知道物体的动质量方程，并能理解公式的物理意义.
17．(1)5.87×10－8s；(2)15.85m；(3)2.89×10－11J
【详解】
(1)粒子运动时，在和粒子相对静止的参考系中，粒子的寿命仍为τ＝2.56×10－8s，而此时实验室中观测到的寿命τ′应比τ大，满足
τ′＝＝s＝5.87×10－8s
(2)平均距离
d＝vτ′＝0.9×3×108×5.87×10－8m＝15.85m
(3)粒子的静止质量
m0＝273×9.1×10－31kg＝2.48×10－28kg
粒子的动能为
Ek＝mc2－m0c2＝（－m0）c2＝3.21×10－28×9×1016J＝2.89×10－11J答案第6页，共1页
答案第5页，共5页