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 | doc | ||
| 文件大小 | 124.0KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2022-03-14 16:31:59 | ||
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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．下列关于弱引力与强引力的论述中，正确的是（ ）
A．遵从万有引力定律的引力常称为强引力
B．遵从爱因斯坦引力理论的引力常称为弱引力
C．中子星表面的引力比常见的引力强得多，牛顿的引力理论已经不使用了
D．密度越大的天体表面的引力越弱
2．下列关于经典力学的说法不正确的是（ ）
A．自由落体运动规律属于经典力学
B．行星运动定律属于经典力学
C．牛顿运动定律属于经典力学
D．爱因斯坦在20世纪初创立了相对论理论，这表明牛顿的经典力学已不再适用
3．如图所示，小明乘速度为（c为光速）的宇宙飞船追赶正前方的小军，小军的飞行速度为，小明向小军发出一束光进行联络，则小明观测到该光束的传播速度为（ ）
A． B． C． D．
4．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
5．甲乙两人分别位于相对地球高速飞行的飞船里和地球上，下列说法正确的有 ．
A．甲观测到地球上的时钟变慢
B．乙观测到地球上的时钟变快
C．乙观测到飞船的长度变短
D．甲观测到飞船的长度变短
6．对狭义相对论的理解正确的是（ ）
A．在不同惯性系中，基本的物理规律可能是不同的
B．在不同惯性系中，光在真空中的传播速度均相同
C．狭义相对论适合于任何惯性系即适合于一切物体
D．狭义相对论只涉及惯性系
7．下列各种情形中，经典力学能适用于哪些运动（ ）
A．质量是1000t的火车出站后做加速运动，速度达到300km/h
B．在宇宙中以0.5倍光速运动的电子
C．宇宙飞船绕地球的运动
D．高速飞行的子弹，射穿一块木板
8．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总不会改变
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慢，但是飞船中的宇航员却看到时钟是准确的
C．在地面上的人看来，以10 km/s的速度运动的飞船在运动方向上会变窄，而飞船中的宇航员却感觉到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些
D．当物体运动的速度v c时，“时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽略不计
E．狭义相对论的创立表明经典力学在任何情况下都不再适用
9．按照爱因斯坦的广义相对论，下列说法中正确的是（ ）
A．天体之间的引力作用是时空弯曲的表现
B．光线经过太阳附近时会发生弯曲
C．氢原子发射的光从太阳传播到地球时，它的频率要比地球上氢原子发射的光的频率低
D．光在真空中任何情况下都是沿直线传播的
三、填空题
10．如图所示，一架宇航飞机在太空中高速飞行返回地球，并保持与地球上观测站R的正常联系，设宇航员每隔t0时间与地球联系一次，发送频率为f0的电磁波，在地球上观测者看来，宇航员连续两次发送联系信号的时间间隔t___t0(选填“等于”或“不等于”)；地面观测站接收到该电磁波频率f ____f0（选填“大于”、“等于”或“小于”）。
11．经典相对性原理：________规律在任何________中都是相同的．还可以表述为：在一个________内进行的任何力学实验都不能判断这个________是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动；或者说，任何惯性参考系都是________的．
12．如果一观察者测得运动着的米尺长0.5m（米尺的静止长度为1m），则此尺相对于观察者的速度为______。
13．有三只完全相同的时钟，时钟A放在高速行驶的火车上(火车时速200千米/小时)，时钟B放在高速旋转的圆盘边缘，随圆盘一起转动，其向心加速度约为2000g，时钟C放在中子星附近．关于这三只钟的变慢情况，下列说法正确的是明显变慢的是________、变化不明显的是________．
14．在行进的火车车厢中测站台上的两根柱子之间的距离为L1，在站台上测这两根柱子之间的距离为L2，则L1__________L2（选填“小于”“大于”或“等于”）。
四、解答题
15．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。
16．如图13－3－3所示，考虑几个问题：
(1)若参考系O′相对于参考系O静止，人看到的光速应是多少？
(2)若参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动，人看到的光速应是多少？
(3)若参考系O相对于参考系O′以速度v向左运动，人看到的光速又是多少？
试卷第1页，共3页
参考答案：
1．C
【解析】
【详解】
AB．牛顿建立的经典力学只适用于弱引力，遵从万有引力的为弱引力，遵从爱因斯坦引力理论的引力为强引力，故A、B错误；
CD．密度越大的天体表面引力越强，中子星密度非常大，其表面的引力比常见的引力强得多，为强引力，牛顿的引力理论已经不能正确解决了，故C正确，D错误。
故选C。
2．D
【解析】
【详解】
AB．经典力学有一定的局限性，适用于宏观、低速运动的物体，不适用于高速、微观的物体。自由落体运动、行星运动定律遵守牛顿运动定律，属于经典力学，故AB正确；
C．牛顿运动定律是经典力学的核心理论，属于经典力学，故C正确；
D．牛顿的经典力学是爱因斯坦相对论理论在低速条件下的近似，所以相对论的创立并不表明牛顿的经典力学已不再适用，D错误。
本题选不正确的，故选D。
3．D
【解析】
【详解】
根据爱因斯坦相对论，在任何参考系中，光速不变，即光速不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变，所以小明观测到该光束的传播速度为c。
故选D。
4．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。
5．AC
【解析】
【详解】
相对论长度的相对性和时间的相对性都是对于旁观者而言，对于旁观者来说是钟慢尺短．因此选项BD错误，AC正确．
6．BD
【解析】
【详解】
A．根据相对论的观点，在不同的惯性系中，一切物理规律都是相同的，A错误；
B．在一切惯性系中，光在真空中的传播速度都相等，B正确；
CD．狭义相对论只涉及惯性系，C错误，D正确。
故选BD。
7．ACD
【详解】
经典力学适应于宏观低速物体，不适合与微观高速粒子；则
A．质量是1000t的火车出站后做加速运动，速度达到300km/h，适合经典力学，选项A正确；
B．在宇宙中以0.5倍光速运动的电子，不适合经典力学，选项B错误；
C．宇宙飞船绕地球的运动，适合经典力学，选项C正确；
D．高速飞行的子弹，射穿一块木板，适合经典力学，选项D正确；
故选ACD。
8．BCD
【解析】
【分析】
根据长度相对性和时间间隔的相对性分析讨论；
【详解】
按照相对论的观点，时间和空间都是相对的，A错误；由可知，运动的时钟变慢了，但飞船中的钟相对飞船中的观察者静止，时钟准确，B正确；由可知，地面上的人看飞船和飞船上的人看地面上的人都沿运动方向长度减小，C正确；当时，“时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽略不计，D正确；在宏观、低速情况下，经典力学仍适用，E错误．
9．ABC
【解析】
【详解】
A．根据广义相对论，天体之间的引力作用是时空弯曲的表现，故A正确；
BD．根据广义相对论，物质的引力能够使光线弯曲，故B正确，D错误；
C．根据广义相对论，引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别，太阳上氢原子发射的光的频率比地球上氢原子发射的光的频率低，故C正确。
故选ABC。
10． 不等于 大于
【解析】
【详解】
根据时间相对性原理可得
因为v小于c，故t不等于t0；
根据多普勒原理，可知当一架宇航飞机在太空中高速飞行返回地球，即波源靠近地球，故地面观测站接收到该电磁波频率f大于f0。
11． 力学 惯性系 惯性参考系 惯性系 平权
【解析】
【详解】
经典力学的相对性原理是力学规律在任何惯性系中都是相同的．或者说在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动；换言之，经典力学定律在任何一个惯性系中数学形式不变，所有惯性系都是等价（平权）的．
12．2.60×108m/s
【解析】
【分析】
【详解】
由l=l0代入数据解得
13． B钟和C钟 A钟
【解析】
【详解】
火车的速度相对光速而言很小，时钟变慢不明显，B钟有很大的加速度，C钟受强引力作用，都明显变慢．
14．小于
【解析】
【详解】
根据相对论原理中的“尺缩效应”可知，在行进的火车车厢中测站台上的两根柱子之间的距离为L1小于静止时两柱子之间的距离L2。
15．(1)5.87×10－8s；(2)15.85m；(3)2.89×10－11J
【解析】
【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
16．(1)c (2)c (3)c
【详解】
根据狭义相对论的光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系．
因此三种情况下，人观察到的光速都是c.
答案第1页，共2页
答案第1页，共2页
一、单选题
1．下列关于弱引力与强引力的论述中，正确的是（ ）
A．遵从万有引力定律的引力常称为强引力
B．遵从爱因斯坦引力理论的引力常称为弱引力
C．中子星表面的引力比常见的引力强得多，牛顿的引力理论已经不使用了
D．密度越大的天体表面的引力越弱
2．下列关于经典力学的说法不正确的是（ ）
A．自由落体运动规律属于经典力学
B．行星运动定律属于经典力学
C．牛顿运动定律属于经典力学
D．爱因斯坦在20世纪初创立了相对论理论，这表明牛顿的经典力学已不再适用
3．如图所示，小明乘速度为（c为光速）的宇宙飞船追赶正前方的小军，小军的飞行速度为，小明向小军发出一束光进行联络，则小明观测到该光束的传播速度为（ ）
A． B． C． D．
4．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
5．甲乙两人分别位于相对地球高速飞行的飞船里和地球上，下列说法正确的有 ．
A．甲观测到地球上的时钟变慢
B．乙观测到地球上的时钟变快
C．乙观测到飞船的长度变短
D．甲观测到飞船的长度变短
6．对狭义相对论的理解正确的是（ ）
A．在不同惯性系中，基本的物理规律可能是不同的
B．在不同惯性系中，光在真空中的传播速度均相同
C．狭义相对论适合于任何惯性系即适合于一切物体
D．狭义相对论只涉及惯性系
7．下列各种情形中，经典力学能适用于哪些运动（ ）
A．质量是1000t的火车出站后做加速运动，速度达到300km/h
B．在宇宙中以0.5倍光速运动的电子
C．宇宙飞船绕地球的运动
D．高速飞行的子弹，射穿一块木板
8．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总不会改变
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慢，但是飞船中的宇航员却看到时钟是准确的
C．在地面上的人看来，以10 km/s的速度运动的飞船在运动方向上会变窄，而飞船中的宇航员却感觉到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些
D．当物体运动的速度v c时，“时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽略不计
E．狭义相对论的创立表明经典力学在任何情况下都不再适用
9．按照爱因斯坦的广义相对论，下列说法中正确的是（ ）
A．天体之间的引力作用是时空弯曲的表现
B．光线经过太阳附近时会发生弯曲
C．氢原子发射的光从太阳传播到地球时，它的频率要比地球上氢原子发射的光的频率低
D．光在真空中任何情况下都是沿直线传播的
三、填空题
10．如图所示，一架宇航飞机在太空中高速飞行返回地球，并保持与地球上观测站R的正常联系，设宇航员每隔t0时间与地球联系一次，发送频率为f0的电磁波，在地球上观测者看来，宇航员连续两次发送联系信号的时间间隔t___t0(选填“等于”或“不等于”)；地面观测站接收到该电磁波频率f ____f0（选填“大于”、“等于”或“小于”）。
11．经典相对性原理：________规律在任何________中都是相同的．还可以表述为：在一个________内进行的任何力学实验都不能判断这个________是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动；或者说，任何惯性参考系都是________的．
12．如果一观察者测得运动着的米尺长0.5m（米尺的静止长度为1m），则此尺相对于观察者的速度为______。
13．有三只完全相同的时钟，时钟A放在高速行驶的火车上(火车时速200千米/小时)，时钟B放在高速旋转的圆盘边缘，随圆盘一起转动，其向心加速度约为2000g，时钟C放在中子星附近．关于这三只钟的变慢情况，下列说法正确的是明显变慢的是________、变化不明显的是________．
14．在行进的火车车厢中测站台上的两根柱子之间的距离为L1，在站台上测这两根柱子之间的距离为L2，则L1__________L2（选填“小于”“大于”或“等于”）。
四、解答题
15．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。
16．如图13－3－3所示，考虑几个问题：
(1)若参考系O′相对于参考系O静止，人看到的光速应是多少？
(2)若参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动，人看到的光速应是多少？
(3)若参考系O相对于参考系O′以速度v向左运动，人看到的光速又是多少？
试卷第1页，共3页
参考答案：
1．C
【解析】
【详解】
AB．牛顿建立的经典力学只适用于弱引力，遵从万有引力的为弱引力，遵从爱因斯坦引力理论的引力为强引力，故A、B错误；
CD．密度越大的天体表面引力越强，中子星密度非常大，其表面的引力比常见的引力强得多，为强引力，牛顿的引力理论已经不能正确解决了，故C正确，D错误。
故选C。
2．D
【解析】
【详解】
AB．经典力学有一定的局限性，适用于宏观、低速运动的物体，不适用于高速、微观的物体。自由落体运动、行星运动定律遵守牛顿运动定律，属于经典力学，故AB正确；
C．牛顿运动定律是经典力学的核心理论，属于经典力学，故C正确；
D．牛顿的经典力学是爱因斯坦相对论理论在低速条件下的近似，所以相对论的创立并不表明牛顿的经典力学已不再适用，D错误。
本题选不正确的，故选D。
3．D
【解析】
【详解】
根据爱因斯坦相对论，在任何参考系中，光速不变，即光速不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变，所以小明观测到该光束的传播速度为c。
故选D。
4．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。
5．AC
【解析】
【详解】
相对论长度的相对性和时间的相对性都是对于旁观者而言，对于旁观者来说是钟慢尺短．因此选项BD错误，AC正确．
6．BD
【解析】
【详解】
A．根据相对论的观点，在不同的惯性系中，一切物理规律都是相同的，A错误；
B．在一切惯性系中，光在真空中的传播速度都相等，B正确；
CD．狭义相对论只涉及惯性系，C错误，D正确。
故选BD。
7．ACD
【详解】
经典力学适应于宏观低速物体，不适合与微观高速粒子；则
A．质量是1000t的火车出站后做加速运动，速度达到300km/h，适合经典力学，选项A正确；
B．在宇宙中以0.5倍光速运动的电子，不适合经典力学，选项B错误；
C．宇宙飞船绕地球的运动，适合经典力学，选项C正确；
D．高速飞行的子弹，射穿一块木板，适合经典力学，选项D正确；
故选ACD。
8．BCD
【解析】
【分析】
根据长度相对性和时间间隔的相对性分析讨论；
【详解】
按照相对论的观点，时间和空间都是相对的，A错误；由可知，运动的时钟变慢了，但飞船中的钟相对飞船中的观察者静止，时钟准确，B正确；由可知，地面上的人看飞船和飞船上的人看地面上的人都沿运动方向长度减小，C正确；当时，“时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽略不计，D正确；在宏观、低速情况下，经典力学仍适用，E错误．
9．ABC
【解析】
【详解】
A．根据广义相对论，天体之间的引力作用是时空弯曲的表现，故A正确；
BD．根据广义相对论，物质的引力能够使光线弯曲，故B正确，D错误；
C．根据广义相对论，引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别，太阳上氢原子发射的光的频率比地球上氢原子发射的光的频率低，故C正确。
故选ABC。
10． 不等于 大于
【解析】
【详解】
根据时间相对性原理可得
因为v小于c，故t不等于t0；
根据多普勒原理，可知当一架宇航飞机在太空中高速飞行返回地球，即波源靠近地球，故地面观测站接收到该电磁波频率f大于f0。
11． 力学 惯性系 惯性参考系 惯性系 平权
【解析】
【详解】
经典力学的相对性原理是力学规律在任何惯性系中都是相同的．或者说在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动；换言之，经典力学定律在任何一个惯性系中数学形式不变，所有惯性系都是等价（平权）的．
12．2.60×108m/s
【解析】
【分析】
【详解】
由l=l0代入数据解得
13． B钟和C钟 A钟
【解析】
【详解】
火车的速度相对光速而言很小，时钟变慢不明显，B钟有很大的加速度，C钟受强引力作用，都明显变慢．
14．小于
【解析】
【详解】
根据相对论原理中的“尺缩效应”可知，在行进的火车车厢中测站台上的两根柱子之间的距离为L1小于静止时两柱子之间的距离L2。
15．(1)5.87×10－8s；(2)15.85m；(3)2.89×10－11J
【解析】
【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
16．(1)c (2)c (3)c
【详解】
根据狭义相对论的光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系．
因此三种情况下，人观察到的光速都是c.
答案第1页，共2页
答案第1页，共2页