人教版高中物理必修二同步练习：7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性
一、选择题
1．（2023高三上·南通开学考）如图所示，假设一列火车沿水平轨道接近光速匀速行驶，车厢正中央的光源S发出了一个闪光，车上的人甲和车旁边的人乙进行观察，则（ ）
A．甲认为闪光先到达车厢的后壁 B．甲认为闪光先到达车厢的前壁
C．乙认为闪光先到达车厢的后壁 D．乙认为闪光先到达车厢的前壁
2．（2023高一下·上海市期末）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方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上的观测者测得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．（2023高一下·上海市期末）爱因斯坦建立了广义相对论，并根据这一理论推导得出三个著名的预言：水星轨道近日点的进动；太阳引起的光线偏折；光波的重力红移。经过科学实验的检验，最终证实这些预言的理论计算与实验结果都能吻合。这说明广义相对论（ ）
A．是人类对客观世界的最终反映
B．被观察结果证实了理论的合理性
C．是客观事实检验过的绝对真理
D．比牛顿引力理论更具实用价值
4．（2023高一下·龙南期末）一代代物理学家们在探究客观世界的过程中，不断发现物理规律，总结研究方法，推动了生产力的发展和人类文明的进步。下列关于物理学史和物理学方法的叙述，正确的是（ ）
A．“点电荷”和“电场强度”概念的提出，都应用了比值定义法
B．法国物理学家库仑发现了库仑定律，并通过油滴实验测定了元电荷的电荷量
C．地面上的人观察高速飞行的火箭时，发现火箭里的钟表变慢了
D．海王星是先观测到再计算其位置后被确定的，被称为“笔尖下发现的行星”
5．（2022高一下·光明期中）2021年10月5日，三位科学家因为他们立于科学前沿探索世间奥秘，而共享诺贝尔物理学奖。物理学史上许多物理学家的科学研究推动了人类文明的进程，关于相对论时空观与牛顿力学的局限性，下列说法正确的是（ ）
A．经典力学能够说明微观粒子的规律性，仍能适用于宏观物体的高速运动问题
B．相对论与量子力学的出现否定了经典力学，表示经典力学已失去意义
C．经典力学并不等于牛顿运动定律，牛顿运动定律只是经典力学的基础
D．经典力学在现代广泛应用，它的正确性无可怀疑，仍是普遍适用的
6．（2022高一下·徐州期中）如图所示，位于教室中央的光源发出一个闪光，闪光照到了教室的前壁和后壁。教室的长度为10m。 在平行于教室高速运动的太空飞船上的观察者（ ）
A．测得照到前壁的光速度小于c
B．观测到飞船上的时间进程比教室快
C．测得教室的长度大于10m
D．观察到光先到达后壁
7．（2022高一下·武汉月考）500米口径的中国天眼（FAST）是世界上已建成的最大的射电望远镜，可监测脉冲星，探测引力波的存在。而引力波是实验验证爱因斯坦相对论的最后一块“拼图”。关于牛顿力学、相对论和量子力学，下列说法正确的是 （ ）
A．牛顿力学适用于研究宏观物体的低速运动
B．由于相对论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值
C．高速运动的μ子寿命变长这一现象，既能用相对论时空观解释，又能用经典理论解释
D．不论是宏观物体，还是微观粒子，牛顿力学和量子力学都是适用的
8．（2021高二上·厦门开学考）如图，惯性参考系S有一直径为d的圆形。从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该圆形的图像可能是（ ）
A． B．
C． D．
9．（2021高一下·绍兴期末）下列说法中正确的是（ ）
A．开普勒提出行星绕太阳运动的轨道都是椭圆
B．万有引力定律也适用于强相互作用力
C．相对论物理学研究的是物体在低速运动时所遵循规律
D．相对论物理学和量子力学的出现，使牛顿力学失去了意义
10．（2021高一下·徐州期末）如图所示，一同学在教室上课，教室的长度为9m，教室中间位置有一光源。有一飞行器从前向后高速通过教室外侧，已知光速为c、飞行器中的飞行员认为（ ）
A．教室中的时钟变快
B．教室的长度大于9m
C．从光源发出的光先到达教室后壁
D．光源发出的光，向后的速度小于c
11．（2021高一下·无锡期末）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L，根据相对论时空观，则A测得两飞船间的距离（ ）
A．大于L B．等于L C．小于L D．与 无关
12．（2021高一下·金湖期中）如图，按照狭义相对论的观点，火箭B是“追赶”光的；火箭A是“迎着”光飞行的。若火箭相对地面的速度均为v，则两火箭上的观察者测出的光速分别为（ ）
A．c＋v，c-v B．c，c C．c-v，c＋v D．无法确定
13．（2021高一下·常熟期中）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．
二、多项选择题
14．（2023高三下·杭州月考） 下列表述正确的是（ ）
A．机械能可以全部转化成内能，但这个过程是不可逆的
B．农民给土壤松土，是为了使地下的水分快速上升到地面
C．在一列沿平直轨道飞快地匀速行驶的火车车厢中央有一光源发出了一个闪光，则地面上的静止观察者看到：闪光先到达后壁，后到达前壁
D．图示电场是不可能存在的
15．（2022高一下·泗阳期中）1905年到1915年间，爱因斯坦先后发表的狭义相对论和广义相对论在20世纪改变了理论物理学和天文学，取代了主要由牛顿创立的有200年历史的力学理论。狭义相对论适用于基本粒子及其相互作用，描述了除引力以外的所有物理现象。广义相对论解释了引力定律及其与其他自然力的关系，适用于宇宙学和天体物理学领域，包括天文学。下列有关相对论的内容，说法不正确的是（ ）
A．狭义相对论的两条基本假设是相对性原理与光速不变原理
B．飞船以的速度航行，若飞船向正前方的某一星球发射激光，则该星球上的观察者测量到的激光速度为
C．牛顿力学是相对论在宏观、低速（与光速相比）情况下的特例
D．已知子低速运动时的平均寿命时。当它以的速度飞行，若以子为参考系，此时子的平均寿命变长
16．关于经典力学的时空观与相对论的时空观，下列说法正确的是（ ）
A．在经典力学的时空观中，同时是绝对的，即在一个参考系中的观察者在某一时刻观察到的两个事件，对另一个参考系中的观察者来说也是同时的
B．在相对论的时空观中，时间间隔是绝对的，即任何事件（或物体运动）所经历的时间，在不同的参考系中测量都是相同的，而与参考系的选取无关
C．在经典力学的时空观中，空间距离是绝对的，即如果各个参考系中用来测量长度的标准相同，那么空间两点的距离是绝对的不变的量值，而与参考系的选取无关
D．相对论的时空观就是一个绝对的时空观，时间与空间物体的运动无关
E．真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的
17．（2020高一下·绵阳期末）经典力学有其局限性，相对论已经成为现代科学技术的重要理论基础之一。下列关于经典力学的说法中，正确的是（ ）
A．经典力学只适用于宏观、低速、弱引力场
B．经典力学适用于范围在10-10 m以内的微观粒子运动
C．经典力学认为时间、空间与物质及其运动之间是相互联系的
D．按照经典力学，只要知道初始条件，就可以准确确定体系以往和未来的运动状态
18．（2020高一下·汾阳期中）以下说法正确的是（ ）
A．相对论与量子力学并没有否定经典力学理论
B．在经典力学中，物体的质量随运动状态而改变的
C．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
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仍有很大的区别
三、非选择题
19．（2023高一下·上海市期末）如果光速只有 甚至更小，相对论效应会 （选填“更显著”还是“更不容易看到”），如果引力常量G增大，牛顿力学的适用范围是 （选填“变大”还是“变小”）
20．（2023高一下·芜湖期末）若在速度为0.5倍光速的飞船上有一只完好的手表走过了60s，根据相对论时空观的时间延缓效应，地面上的人认为它走过这60s“实际”上花了 s。
21．（2023高一下·漳州期末）按照狭义相对论的观点，在太空中“迎着”光飞行的宇宙飞船上，观察者测得的光速 （选填“大于”、“等于”、“小于”，其中为真空中的光速）。
22．（2020高二下·绵阳期末）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”）。
23．（2019·江苏模拟）如图所示，一列火车以速度v相对地面运动．地面上的人测得，某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁．若此光源安放在地面上，则火车上的人的测量结果是闪光先到达 (选填“前”或“后”)壁；若此光源安放在火车上；则火车上的人的测量结果是闪光先到达 (选填“前”或“后”)壁．
24．（2019·江苏模拟）如图所示，宇航飞行器以接近光速的速度经过地球．宇航舱内点光源S与前壁M和后壁N距离都是L．某时刻光源S发出一个闪光，宇航舱内仪器观测到M、N同时接收到光信号，则地面观测站观测到闪光 （选填“是”或“不是”）同时到达M、N；地面观测站观测到宇航舱前后壁间距离 （选填“＞”“＝”或“＜”）2L．
25．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？
26．（2017高二下·绥棱期中）人马星座α星是离太阳系最近的恒星，它距地球4.3×1016m．设有一宇宙飞船自地球往返于人马星座α星之间．若宇宙飞船的速度为0.999c，按地球上的时钟计算，飞船往返一次需多少时间？如以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为多少？
答案解析部分
1．【答案】C
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】AB.车厢是个惯性系，光源在车厢中央，车厢中的甲认为，光向前向后传播的速度、路程均相等，闪光同时到达前后两壁，故AB错误；
CD.车旁边的乙以地面为参考系，根据狹义相对论原理，光向前后传播的速度相等，在闪光向两壁运动的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的闪光传播的路程长，到达前壁的时刻晚些，故C正确，D错误。
故选：C。
【分析】本题主要考查狭义相对论的简单理解与应用。
一、狭义相对论的两个基本假设
狭义相对性原理，在所有惯性系中，一切物理定律都具有相同的形式，即具有相同的数学表达形式或者说，对于描述一切物理现象的规律来说，所有惯性系都是等价的。
光速不变原理
在所有惯性系中，真空中光沿各个方向传播的速率都等于同一个恒量c，与光源和观察者的运动状态无关。
二、狭义相对论的时空观
"同时性"相对性
在S系中异地同时发生的两个事件中，在S系看来并不同时，即”同时性"具有相对性。显然，在一个惯性系中同地同时发生的两个事件，对其他惯性系都是同时的。
时间延缓
固有时间：在静止惯性系中测得发生在同一地点的两个事件之间的时间间隔。
时间膨胀：在运动的惯性系中测得_上述两个事件之间的时间间隔τ ， τ > τ0
满足：
长度收缩
固有长度：在静止惯性系中测得的物体长度。
长度收缩：在沿着物体长度方向运动的惯性系中测得的物体长度，
满足：。
2．【答案】C
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】列车上的观察者看到的是由B发出后经过A和C反射的光，由于列车在这段时间内向C运动，与A的距离越来越远，所以C的反射光先到达列车上的观察者，所以看到C先被照亮。C正确，ABD错误。
故答案为：C。
【分析】本题考查的是相对论和光速不变原理，当列车向C运动时，列车与A间的距离以接近光速在变大，而列车与C间距离以接近光速的速度在减小，故从C反射的光向列车运动的时间在变短。
3．【答案】B
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】A、这些预言的理论计算与实验结果相吻合，说明人类对客观世界的认识是不断追求、不断更新，而不是人类对客观世界的最终反映，A错误；
B、这些预言的理论计算与实验结果相吻合，说明以及被观察结果证实了理论的合理性，B正确；
C、这些预言的理论计算与实验结果相吻合，但必须在满足某些条件下使用，所以不是绝对真理，C错误；
D、这三个预言是在万有引力的基础上推导的。应该说广义相对论和牛顿引力理论各有千秋，在各自适合的条件下绽放光芒，所以没有比较的意义，D错误。
故答案为：B。
【分析】本题考查人类对广义相对论认识、及其发现的意义，让学生了解到人类对科学的探寻是永无止境的，明确爱因斯坦的广义相对论是人类对世界的客观反映，已经被观察结果证实理论的合理性。
4．【答案】C
【知识点】库仑定律；物理学史；比值定义法；相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】A．“点电荷”概念提出是应用了理想化模型法，“电场强度”概念的提出应用了比值定义法，故A错误；
B．法国物理学家库仑发现了库仑定律，美国物理学家密立根通过油滴实验测定了元电荷的电荷量，故B错误；
C．相对论的两个基本效应是“动钟变慢”、“动棒缩短”，故C正确；
D．海王星是人们根据万有引力定律计算出其轨道后才发现的，被称为“笔尖下发现的行星”，符合史实，故D错误。
故选C。
【分析】
熟练掌握点电荷以及电场强度的研究方法；
对库仑定律以及油膜实验研究透彻；
了解相对论；
对海王星发现的历史要掌握。
5．【答案】C
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】AD．经典力学具有一定的局限性，只能适用于宏观、低速运动的物体，而对于微观、高速运动的物体则不适用，并不具有普遍性，AD不符合题意；
B．相对论与量子力学的出现并未否定经典力学，而是补充了经典力学的不足，它们并不能替代经典力学的地位，B不符合题意；
C．经典力学并不等于牛顿运动定律，牛顿运动定律只是经典力学的基础，C符合题意。
故答案为：C。
【分析】经典力学对于微观、高速的物体不再适用；相对论补充了经典力学的不足，没有否定经典力学；经典力学没有普遍适用性。
6．【答案】B
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】AD．根据光速不变原理，测得照到前壁的光速等于c，观察到光同时到达前壁和后壁，A不符合题意；
C．根据相对论原理，测得教室的长度小于10m，C不符合题意；
B．根据相对论原理，观测到飞船上的时间进程比教室快，B符合题意。
故答案为：B。
【分析】根据光速不变原理得出照到前壁的光速；根据相对论原理得出教师的长度 ，并得出飞船上的时间和教室中时间的快慢。
7．【答案】A
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】A．牛顿力学适用于研究宏观物体的低速运动，A符合题意；
B．在微观高速领域，要用量子力学和相对论理论来解释，但是并不会因为相对论和量子力学的出现，就否定了牛顿力学，牛顿力学作为某些条件下的特殊情形，被包括在新的科学成就之中，不会过时，不会失去价值，B不符合题意；
C．高速运动的μ子寿命变长这一现象，属于微观高速运动，只能用相对论时空观解释，不能用经典理论解释，C不符合题意；
D．宏观低速物体牛顿力学适用，微观粒子量子力学适用，D不符合题意。
故答案为：A。
【分析】牛顿力学只能适用于宏观高速运动的物体，不会失去价值；只能用相对论时空观解释高速运动的μ子寿命变长这一现象。
8．【答案】C
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】由相对论知识l＝l0 ，得运动方向上的边的边长变短，垂直运动方向的边的边长不变，
故答案为：C。
【分析】利用相对论的知识结合速度的大小可以判别运动方向上x方向的边长变短其y方向的边长保持不变。
9．【答案】A
【知识点】开普勒定律；万有引力定律的应用；相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】A．开普勒第一定律指出所有行星绕太阳运行的轨道都是椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上，A符合题意；
B．万有引力定律只适用于低速宏观物体，对微观分子间的强相互作用不再适用，B不符合题意；
C．相对论物理学研究的是物体在高速运动时所遵循规律，C不符合题意；
D．相对论物理学和量子力学的出现，并没有否定牛顿力，只是说牛顿力学有一定的适用范围，D不符合题意。
故答案为：A。
【分析】万有引力不适用于微观分子；相对论物理学是研究物体在高速运动所遵循的规律；相对论没有否定牛顿力学，只是强调牛顿力学具有一定的适应范围。
10．【答案】C
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】AB．根据爱因斯坦的相对论，可知飞行器中的飞行员认为看到教室中的时钟变慢，教室的长度变短，即长度小于9m，AB不符合题意；
C．教室中的人认为，光向前向后传播的速度相等，光源在教室中央，光同时到达前后两壁．飞行器中的飞行员是一个惯性系，光向前向后传播的速度相等，向后壁传播的路程短些，到达后壁的时刻早些，C符合题意。
D．根据光速不变原理，不论光源与观察者之间做怎样的相对运动，光速都是一样的，D不符合题意；
故答案为：C。
【分析】根据爱因斯坦的相对论以及光速不变原理分析求解。
11．【答案】A
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】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。
故答案为：A。
【分析】利用相对论的长度公式结合飞船的速度大小可以求出两个飞船之间距离的大小。
12．【答案】B
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】根据狭义相对论的观点：光速不变原理，即光速的大小与光源以及观察者的运动无关，所以两火箭上的观察者测出的光速都是c。
故答案为：B。
【分析】利用光速不变理论可以判别观察者测出的光速都是不变的。
13．【答案】D
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】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。
故答案为：D。
【分析】利用相对论效应可以判别其x轴方向正方形的边长缩短其y方向正方形的边长保持不变。
14．【答案】A,C,D
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性；电场线；热力学第二定律；毛细现象
【解析】【解答】A.根据热力学第二定律可知，机械能可以全部转化成内能，但这个过程是不可逆的，内能不可能在不引起其它变化的情况下，全部转化为机械能，A符合题意；
B.农民给土壤松土的目的是破坏土壤里的毛细管，可以保存土壤里的水分，B不符合题意；
C.地面上的观察者以地面为参考系，根据狭义相对论原理，光向前向后传播的速度相等，向前传播的路程长些，到达前壁的时刻晚些，所以闪光先到达后壁，后到达前壁，C符合题意；
D.带电物体在静电场中沿闭合路径运动一周回到原位，电场力做功为零，在图示的假想电场中，一个电荷从场强较强的上部沿电场线向左运动，然后垂直电场线向下运动到中部场强较弱处，再向右运动，再向上回到原位，电场力做功不为零，不符合电场力做功与路径无关的特点，所以这种电场不存在，D符合题意。
故答案为：ACD。
【分析】根据热力学第二定律分析热现象的单向性；根据毛细现象原理分析；根据光速不变原理分析；根据静电力做功与路径无关的特点分析图示电场。
15．【答案】B,D
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】A．狭义相对论的两条基本原理是狭义相对性原理和光速不变原理，A符合题意；
B．根据狭义相对论的假设，真空中光速相对于不同的惯性参考系是相同的，即在任何地方的光速都是c，B不符合题意；
C．牛顿力学是相对论在宏观、低速（与光速相比）情况下的特例，C符合题意；
D．当子以的速度飞行，若以子为参考系，此时子的平均寿命不变，但对于地面上的观察者来说，平均寿命变长，D不符合题意；
故答案为：BD。
【分析】狭义相对论的两条基本原理是狭义相对性原理和光速不变原理力学是相对论在宏观、低速情况下的特例。
16．【答案】A,C,E
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】A.在经典力学的时空观中，同时是绝对的，A对；
B.在相对论的时空观中，时间间隔是相对的，B不符合题意；
C.在经典力学的时空观中，空间距离是绝对的，C对；
D.相对论的时空观是一个相对的时空观，D不符合题意．
E.真空中的光速在不同惯性参考系中都相同，E符合题意．
故答案为：ACE
【分析】在相对论的时空观中时间间隔时相对的；相对论是一个相对的时空观，其时间与空间与物体的高速运动有关。
17．【答案】A,D
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】A．经典力学只适用于宏观、低速、弱引力场，A符合题意；
B．经典力学不适用围观高速粒子的运动，即不适用于范围在10-10 m以内的微观粒子运动，B不符合题意；
C．在经典力学中，认为时间和空间与物质及其运动之间都是独立的，C不符合题意；
D．在经典力学中，根据牛顿运动定律，只要知道初始状态和相互作用，就可以准确确定体系以往和未来的状态，D符合题意。
故答案为：AD。
【分析】经典力学不适用于微观、高速粒子的运动；经典力学中认为时间和空间与物质及运动之间是相互独立的。
18．【答案】A,C
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】A．相对论与量子力学并没有否定经典力学理论，A符合题意；
B．在经典力学中，物体的质量是不随运动状态而改变的，B不符合题意；
C．经典时空观认为时间和空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，C符合题意；
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相差不大，故经典力学是适用的，D不符合题意。
故答案为：AC。
【分析】相对论与量子力学没有否定经典力学理论；在经典力学中其物体的质量保持不变。当物体其速度远远小于光速时其相对论和经典力学的结论相差不大。
19．【答案】更显著；变小
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】相对论效应是指爱因斯坦的相对论所提出的几个重要效应，包括时间膨胀、长度收缩和质量增加，这些效应表明，物体的运动状态与观察者的参考系之间存在相对关系，物体在高速运动时会出现与低速运动时不同的物理现象。以时间膨胀公式为例，所以如果光速只有甚至更小，相对论效应会更显著；如果引力常量G增大，那么中，GMm也增大，r不变，则万有引力增大，那么牛顿力学的使用范围变小了。
【分析】本题考查对相对论效应的理解，要求学生首先要了解相对论效应有哪些，及对应的公式，进而了解光速越小，相对论效应越明显；正确写出万有引力公式，根据引力常量G的变化，对应哪些量变化，进而了解到万有引力增加说明牛顿力学适用范围更小。
20．【答案】
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】由相对论时空观知：，已知，代入得出，故地面上的人认为它走过这60s“实际”上花了。
【分析】本题考查爱因斯坦相对论的时间公式，该部分知识对学生要求不高，能够记得对应的时间公式即可。
21．【答案】等于
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】根据光速不变原理，在太空中“迎着”光飞行的宇宙飞船上，观察者测得的光速等于c。
【分析】根据光速不变原理分析观测者得到的光速。
22．【答案】小于
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】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。
【分析】当物体的速度达到光速时，会出现很多效应，比如时间减缓效应、尺度收缩效应。
23．【答案】前；前
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】地面上的人以地面为参考系，光向前向后传播的速度相等，某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁，向前传播的路程与向后传播的路程相同，由于火车向前运动，所以点光源的到火车的前面的距离小；车厢中的人认为，车厢是个惯性系，光向前向后传播的速度相等，点光源的到火车的前面的距离小，闪光先到达前壁。若此光源安放在火车上，光源和车相对静止，由于光源距前壁的距离近，所以车上的人的测量结果是闪光先到达前壁。
【分析】光速不变原理指的是在不同的参考系里观察光，光的传播速度都相同，只需要比较光传播的距离就可以比较光传播的时间。
24．【答案】不是；＜
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】车厢中的人认为，车厢是个惯性系，光向前向后传播的速度相等，光源在车厢中央，闪光同时到达前后两壁．地面上人以地面是一个惯性系，光向前向后传播的速度相等，向前传播的路程长些，故到达前壁的时刻晚些．由相对论原理可知，地面上人看到的车厢的长度比静止时要短．即观测到的宇航舱前后壁间距离小于2L．
【分析】当物体的速度达到光速时，会出现很多效应，比如时间减缓效应、尺度收缩效应。
25．【答案】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。
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】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。
【分析】利用相对论公式可以发现物体质量在高速运动中会出现明显变化。
26．【答案】解：以地球上的时钟计算
△t= = s=2.87×108 s=9年
若以飞船上的时钟计算，因为
△t= ，
所以得△t′=△t =2.87×108× s=1.28×107 s=0.4年．
答：按地球上的时钟计算，飞船往返一次需9年；如以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为0.4年．
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【分析】以地球上的时钟计算时，根据x=vt计算即可；若以飞船上的时钟计算，要考虑时间的相对论效应．
1 / 1人教版高中物理必修二同步练习：7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性
一、选择题
1．（2023高三上·南通开学考）如图所示，假设一列火车沿水平轨道接近光速匀速行驶，车厢正中央的光源S发出了一个闪光，车上的人甲和车旁边的人乙进行观察，则（ ）
A．甲认为闪光先到达车厢的后壁 B．甲认为闪光先到达车厢的前壁
C．乙认为闪光先到达车厢的后壁 D．乙认为闪光先到达车厢的前壁
【答案】C
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】AB.车厢是个惯性系，光源在车厢中央，车厢中的甲认为，光向前向后传播的速度、路程均相等，闪光同时到达前后两壁，故AB错误；
CD.车旁边的乙以地面为参考系，根据狹义相对论原理，光向前后传播的速度相等，在闪光向两壁运动的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的闪光传播的路程长，到达前壁的时刻晚些，故C正确，D错误。
故选：C。
【分析】本题主要考查狭义相对论的简单理解与应用。
一、狭义相对论的两个基本假设
狭义相对性原理，在所有惯性系中，一切物理定律都具有相同的形式，即具有相同的数学表达形式或者说，对于描述一切物理现象的规律来说，所有惯性系都是等价的。
光速不变原理
在所有惯性系中，真空中光沿各个方向传播的速率都等于同一个恒量c，与光源和观察者的运动状态无关。
二、狭义相对论的时空观
"同时性"相对性
在S系中异地同时发生的两个事件中，在S系看来并不同时，即”同时性"具有相对性。显然，在一个惯性系中同地同时发生的两个事件，对其他惯性系都是同时的。
时间延缓
固有时间：在静止惯性系中测得发生在同一地点的两个事件之间的时间间隔。
时间膨胀：在运动的惯性系中测得_上述两个事件之间的时间间隔τ ， τ > τ0
满足：
长度收缩
固有长度：在静止惯性系中测得的物体长度。
长度收缩：在沿着物体长度方向运动的惯性系中测得的物体长度，
满足：。
2．（2023高一下·上海市期末）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方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上的观测者测得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
【答案】C
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】列车上的观察者看到的是由B发出后经过A和C反射的光，由于列车在这段时间内向C运动，与A的距离越来越远，所以C的反射光先到达列车上的观察者，所以看到C先被照亮。C正确，ABD错误。
故答案为：C。
【分析】本题考查的是相对论和光速不变原理，当列车向C运动时，列车与A间的距离以接近光速在变大，而列车与C间距离以接近光速的速度在减小，故从C反射的光向列车运动的时间在变短。
3．（2023高一下·上海市期末）爱因斯坦建立了广义相对论，并根据这一理论推导得出三个著名的预言：水星轨道近日点的进动；太阳引起的光线偏折；光波的重力红移。经过科学实验的检验，最终证实这些预言的理论计算与实验结果都能吻合。这说明广义相对论（ ）
A．是人类对客观世界的最终反映
B．被观察结果证实了理论的合理性
C．是客观事实检验过的绝对真理
D．比牛顿引力理论更具实用价值
【答案】B
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】A、这些预言的理论计算与实验结果相吻合，说明人类对客观世界的认识是不断追求、不断更新，而不是人类对客观世界的最终反映，A错误；
B、这些预言的理论计算与实验结果相吻合，说明以及被观察结果证实了理论的合理性，B正确；
C、这些预言的理论计算与实验结果相吻合，但必须在满足某些条件下使用，所以不是绝对真理，C错误；
D、这三个预言是在万有引力的基础上推导的。应该说广义相对论和牛顿引力理论各有千秋，在各自适合的条件下绽放光芒，所以没有比较的意义，D错误。
故答案为：B。
【分析】本题考查人类对广义相对论认识、及其发现的意义，让学生了解到人类对科学的探寻是永无止境的，明确爱因斯坦的广义相对论是人类对世界的客观反映，已经被观察结果证实理论的合理性。
4．（2023高一下·龙南期末）一代代物理学家们在探究客观世界的过程中，不断发现物理规律，总结研究方法，推动了生产力的发展和人类文明的进步。下列关于物理学史和物理学方法的叙述，正确的是（ ）
A．“点电荷”和“电场强度”概念的提出，都应用了比值定义法
B．法国物理学家库仑发现了库仑定律，并通过油滴实验测定了元电荷的电荷量
C．地面上的人观察高速飞行的火箭时，发现火箭里的钟表变慢了
D．海王星是先观测到再计算其位置后被确定的，被称为“笔尖下发现的行星”
【答案】C
【知识点】库仑定律；物理学史；比值定义法；相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】A．“点电荷”概念提出是应用了理想化模型法，“电场强度”概念的提出应用了比值定义法，故A错误；
B．法国物理学家库仑发现了库仑定律，美国物理学家密立根通过油滴实验测定了元电荷的电荷量，故B错误；
C．相对论的两个基本效应是“动钟变慢”、“动棒缩短”，故C正确；
D．海王星是人们根据万有引力定律计算出其轨道后才发现的，被称为“笔尖下发现的行星”，符合史实，故D错误。
故选C。
【分析】
熟练掌握点电荷以及电场强度的研究方法；
对库仑定律以及油膜实验研究透彻；
了解相对论；
对海王星发现的历史要掌握。
5．（2022高一下·光明期中）2021年10月5日，三位科学家因为他们立于科学前沿探索世间奥秘，而共享诺贝尔物理学奖。物理学史上许多物理学家的科学研究推动了人类文明的进程，关于相对论时空观与牛顿力学的局限性，下列说法正确的是（ ）
A．经典力学能够说明微观粒子的规律性，仍能适用于宏观物体的高速运动问题
B．相对论与量子力学的出现否定了经典力学，表示经典力学已失去意义
C．经典力学并不等于牛顿运动定律，牛顿运动定律只是经典力学的基础
D．经典力学在现代广泛应用，它的正确性无可怀疑，仍是普遍适用的
【答案】C
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】AD．经典力学具有一定的局限性，只能适用于宏观、低速运动的物体，而对于微观、高速运动的物体则不适用，并不具有普遍性，AD不符合题意；
B．相对论与量子力学的出现并未否定经典力学，而是补充了经典力学的不足，它们并不能替代经典力学的地位，B不符合题意；
C．经典力学并不等于牛顿运动定律，牛顿运动定律只是经典力学的基础，C符合题意。
故答案为：C。
【分析】经典力学对于微观、高速的物体不再适用；相对论补充了经典力学的不足，没有否定经典力学；经典力学没有普遍适用性。
6．（2022高一下·徐州期中）如图所示，位于教室中央的光源发出一个闪光，闪光照到了教室的前壁和后壁。教室的长度为10m。 在平行于教室高速运动的太空飞船上的观察者（ ）
A．测得照到前壁的光速度小于c
B．观测到飞船上的时间进程比教室快
C．测得教室的长度大于10m
D．观察到光先到达后壁
【答案】B
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】AD．根据光速不变原理，测得照到前壁的光速等于c，观察到光同时到达前壁和后壁，A不符合题意；
C．根据相对论原理，测得教室的长度小于10m，C不符合题意；
B．根据相对论原理，观测到飞船上的时间进程比教室快，B符合题意。
故答案为：B。
【分析】根据光速不变原理得出照到前壁的光速；根据相对论原理得出教师的长度 ，并得出飞船上的时间和教室中时间的快慢。
7．（2022高一下·武汉月考）500米口径的中国天眼（FAST）是世界上已建成的最大的射电望远镜，可监测脉冲星，探测引力波的存在。而引力波是实验验证爱因斯坦相对论的最后一块“拼图”。关于牛顿力学、相对论和量子力学，下列说法正确的是 （ ）
A．牛顿力学适用于研究宏观物体的低速运动
B．由于相对论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值
C．高速运动的μ子寿命变长这一现象，既能用相对论时空观解释，又能用经典理论解释
D．不论是宏观物体，还是微观粒子，牛顿力学和量子力学都是适用的
【答案】A
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】A．牛顿力学适用于研究宏观物体的低速运动，A符合题意；
B．在微观高速领域，要用量子力学和相对论理论来解释，但是并不会因为相对论和量子力学的出现，就否定了牛顿力学，牛顿力学作为某些条件下的特殊情形，被包括在新的科学成就之中，不会过时，不会失去价值，B不符合题意；
C．高速运动的μ子寿命变长这一现象，属于微观高速运动，只能用相对论时空观解释，不能用经典理论解释，C不符合题意；
D．宏观低速物体牛顿力学适用，微观粒子量子力学适用，D不符合题意。
故答案为：A。
【分析】牛顿力学只能适用于宏观高速运动的物体，不会失去价值；只能用相对论时空观解释高速运动的μ子寿命变长这一现象。
8．（2021高二上·厦门开学考）如图，惯性参考系S有一直径为d的圆形。从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该圆形的图像可能是（ ）
A． B．
C． D．
【答案】C
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】由相对论知识l＝l0 ，得运动方向上的边的边长变短，垂直运动方向的边的边长不变，
故答案为：C。
【分析】利用相对论的知识结合速度的大小可以判别运动方向上x方向的边长变短其y方向的边长保持不变。
9．（2021高一下·绍兴期末）下列说法中正确的是（ ）
A．开普勒提出行星绕太阳运动的轨道都是椭圆
B．万有引力定律也适用于强相互作用力
C．相对论物理学研究的是物体在低速运动时所遵循规律
D．相对论物理学和量子力学的出现，使牛顿力学失去了意义
【答案】A
【知识点】开普勒定律；万有引力定律的应用；相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】A．开普勒第一定律指出所有行星绕太阳运行的轨道都是椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上，A符合题意；
B．万有引力定律只适用于低速宏观物体，对微观分子间的强相互作用不再适用，B不符合题意；
C．相对论物理学研究的是物体在高速运动时所遵循规律，C不符合题意；
D．相对论物理学和量子力学的出现，并没有否定牛顿力，只是说牛顿力学有一定的适用范围，D不符合题意。
故答案为：A。
【分析】万有引力不适用于微观分子；相对论物理学是研究物体在高速运动所遵循的规律；相对论没有否定牛顿力学，只是强调牛顿力学具有一定的适应范围。
10．（2021高一下·徐州期末）如图所示，一同学在教室上课，教室的长度为9m，教室中间位置有一光源。有一飞行器从前向后高速通过教室外侧，已知光速为c、飞行器中的飞行员认为（ ）
A．教室中的时钟变快
B．教室的长度大于9m
C．从光源发出的光先到达教室后壁
D．光源发出的光，向后的速度小于c
【答案】C
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】AB．根据爱因斯坦的相对论，可知飞行器中的飞行员认为看到教室中的时钟变慢，教室的长度变短，即长度小于9m，AB不符合题意；
C．教室中的人认为，光向前向后传播的速度相等，光源在教室中央，光同时到达前后两壁．飞行器中的飞行员是一个惯性系，光向前向后传播的速度相等，向后壁传播的路程短些，到达后壁的时刻早些，C符合题意。
D．根据光速不变原理，不论光源与观察者之间做怎样的相对运动，光速都是一样的，D不符合题意；
故答案为：C。
【分析】根据爱因斯坦的相对论以及光速不变原理分析求解。
11．（2021高一下·无锡期末）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L，根据相对论时空观，则A测得两飞船间的距离（ ）
A．大于L B．等于L C．小于L D．与 无关
【答案】A
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】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。
故答案为：A。
【分析】利用相对论的长度公式结合飞船的速度大小可以求出两个飞船之间距离的大小。
12．（2021高一下·金湖期中）如图，按照狭义相对论的观点，火箭B是“追赶”光的；火箭A是“迎着”光飞行的。若火箭相对地面的速度均为v，则两火箭上的观察者测出的光速分别为（ ）
A．c＋v，c-v B．c，c C．c-v，c＋v D．无法确定
【答案】B
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】根据狭义相对论的观点：光速不变原理，即光速的大小与光源以及观察者的运动无关，所以两火箭上的观察者测出的光速都是c。
故答案为：B。
【分析】利用光速不变理论可以判别观察者测出的光速都是不变的。
13．（2021高一下·常熟期中）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．
【答案】D
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】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。
故答案为：D。
【分析】利用相对论效应可以判别其x轴方向正方形的边长缩短其y方向正方形的边长保持不变。
二、多项选择题
14．（2023高三下·杭州月考） 下列表述正确的是（ ）
A．机械能可以全部转化成内能，但这个过程是不可逆的
B．农民给土壤松土，是为了使地下的水分快速上升到地面
C．在一列沿平直轨道飞快地匀速行驶的火车车厢中央有一光源发出了一个闪光，则地面上的静止观察者看到：闪光先到达后壁，后到达前壁
D．图示电场是不可能存在的
【答案】A,C,D
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性；电场线；热力学第二定律；毛细现象
【解析】【解答】A.根据热力学第二定律可知，机械能可以全部转化成内能，但这个过程是不可逆的，内能不可能在不引起其它变化的情况下，全部转化为机械能，A符合题意；
B.农民给土壤松土的目的是破坏土壤里的毛细管，可以保存土壤里的水分，B不符合题意；
C.地面上的观察者以地面为参考系，根据狭义相对论原理，光向前向后传播的速度相等，向前传播的路程长些，到达前壁的时刻晚些，所以闪光先到达后壁，后到达前壁，C符合题意；
D.带电物体在静电场中沿闭合路径运动一周回到原位，电场力做功为零，在图示的假想电场中，一个电荷从场强较强的上部沿电场线向左运动，然后垂直电场线向下运动到中部场强较弱处，再向右运动，再向上回到原位，电场力做功不为零，不符合电场力做功与路径无关的特点，所以这种电场不存在，D符合题意。
故答案为：ACD。
【分析】根据热力学第二定律分析热现象的单向性；根据毛细现象原理分析；根据光速不变原理分析；根据静电力做功与路径无关的特点分析图示电场。
15．（2022高一下·泗阳期中）1905年到1915年间，爱因斯坦先后发表的狭义相对论和广义相对论在20世纪改变了理论物理学和天文学，取代了主要由牛顿创立的有200年历史的力学理论。狭义相对论适用于基本粒子及其相互作用，描述了除引力以外的所有物理现象。广义相对论解释了引力定律及其与其他自然力的关系，适用于宇宙学和天体物理学领域，包括天文学。下列有关相对论的内容，说法不正确的是（ ）
A．狭义相对论的两条基本假设是相对性原理与光速不变原理
B．飞船以的速度航行，若飞船向正前方的某一星球发射激光，则该星球上的观察者测量到的激光速度为
C．牛顿力学是相对论在宏观、低速（与光速相比）情况下的特例
D．已知子低速运动时的平均寿命时。当它以的速度飞行，若以子为参考系，此时子的平均寿命变长
【答案】B,D
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】A．狭义相对论的两条基本原理是狭义相对性原理和光速不变原理，A符合题意；
B．根据狭义相对论的假设，真空中光速相对于不同的惯性参考系是相同的，即在任何地方的光速都是c，B不符合题意；
C．牛顿力学是相对论在宏观、低速（与光速相比）情况下的特例，C符合题意；
D．当子以的速度飞行，若以子为参考系，此时子的平均寿命不变，但对于地面上的观察者来说，平均寿命变长，D不符合题意；
故答案为：BD。
【分析】狭义相对论的两条基本原理是狭义相对性原理和光速不变原理力学是相对论在宏观、低速情况下的特例。
16．关于经典力学的时空观与相对论的时空观，下列说法正确的是（ ）
A．在经典力学的时空观中，同时是绝对的，即在一个参考系中的观察者在某一时刻观察到的两个事件，对另一个参考系中的观察者来说也是同时的
B．在相对论的时空观中，时间间隔是绝对的，即任何事件（或物体运动）所经历的时间，在不同的参考系中测量都是相同的，而与参考系的选取无关
C．在经典力学的时空观中，空间距离是绝对的，即如果各个参考系中用来测量长度的标准相同，那么空间两点的距离是绝对的不变的量值，而与参考系的选取无关
D．相对论的时空观就是一个绝对的时空观，时间与空间物体的运动无关
E．真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的
【答案】A,C,E
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】A.在经典力学的时空观中，同时是绝对的，A对；
B.在相对论的时空观中，时间间隔是相对的，B不符合题意；
C.在经典力学的时空观中，空间距离是绝对的，C对；
D.相对论的时空观是一个相对的时空观，D不符合题意．
E.真空中的光速在不同惯性参考系中都相同，E符合题意．
故答案为：ACE
【分析】在相对论的时空观中时间间隔时相对的；相对论是一个相对的时空观，其时间与空间与物体的高速运动有关。
17．（2020高一下·绵阳期末）经典力学有其局限性，相对论已经成为现代科学技术的重要理论基础之一。下列关于经典力学的说法中，正确的是（ ）
A．经典力学只适用于宏观、低速、弱引力场
B．经典力学适用于范围在10-10 m以内的微观粒子运动
C．经典力学认为时间、空间与物质及其运动之间是相互联系的
D．按照经典力学，只要知道初始条件，就可以准确确定体系以往和未来的运动状态
【答案】A,D
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】A．经典力学只适用于宏观、低速、弱引力场，A符合题意；
B．经典力学不适用围观高速粒子的运动，即不适用于范围在10-10 m以内的微观粒子运动，B不符合题意；
C．在经典力学中，认为时间和空间与物质及其运动之间都是独立的，C不符合题意；
D．在经典力学中，根据牛顿运动定律，只要知道初始状态和相互作用，就可以准确确定体系以往和未来的状态，D符合题意。
故答案为：AD。
【分析】经典力学不适用于微观、高速粒子的运动；经典力学中认为时间和空间与物质及运动之间是相互独立的。
18．（2020高一下·汾阳期中）以下说法正确的是（ ）
A．相对论与量子力学并没有否定经典力学理论
B．在经典力学中，物体的质量随运动状态而改变的
C．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
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仍有很大的区别
【答案】A,C
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】A．相对论与量子力学并没有否定经典力学理论，A符合题意；
B．在经典力学中，物体的质量是不随运动状态而改变的，B不符合题意；
C．经典时空观认为时间和空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，C符合题意；
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相差不大，故经典力学是适用的，D不符合题意。
故答案为：AC。
【分析】相对论与量子力学没有否定经典力学理论；在经典力学中其物体的质量保持不变。当物体其速度远远小于光速时其相对论和经典力学的结论相差不大。
三、非选择题
19．（2023高一下·上海市期末）如果光速只有 甚至更小，相对论效应会 （选填“更显著”还是“更不容易看到”），如果引力常量G增大，牛顿力学的适用范围是 （选填“变大”还是“变小”）
【答案】更显著；变小
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】相对论效应是指爱因斯坦的相对论所提出的几个重要效应，包括时间膨胀、长度收缩和质量增加，这些效应表明，物体的运动状态与观察者的参考系之间存在相对关系，物体在高速运动时会出现与低速运动时不同的物理现象。以时间膨胀公式为例，所以如果光速只有甚至更小，相对论效应会更显著；如果引力常量G增大，那么中，GMm也增大，r不变，则万有引力增大，那么牛顿力学的使用范围变小了。
【分析】本题考查对相对论效应的理解，要求学生首先要了解相对论效应有哪些，及对应的公式，进而了解光速越小，相对论效应越明显；正确写出万有引力公式，根据引力常量G的变化，对应哪些量变化，进而了解到万有引力增加说明牛顿力学适用范围更小。
20．（2023高一下·芜湖期末）若在速度为0.5倍光速的飞船上有一只完好的手表走过了60s，根据相对论时空观的时间延缓效应，地面上的人认为它走过这60s“实际”上花了 s。
【答案】
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】由相对论时空观知：，已知，代入得出，故地面上的人认为它走过这60s“实际”上花了。
【分析】本题考查爱因斯坦相对论的时间公式，该部分知识对学生要求不高，能够记得对应的时间公式即可。
21．（2023高一下·漳州期末）按照狭义相对论的观点，在太空中“迎着”光飞行的宇宙飞船上，观察者测得的光速 （选填“大于”、“等于”、“小于”，其中为真空中的光速）。
【答案】等于
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】根据光速不变原理，在太空中“迎着”光飞行的宇宙飞船上，观察者测得的光速等于c。
【分析】根据光速不变原理分析观测者得到的光速。
22．（2020高二下·绵阳期末）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”）。
【答案】小于
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】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。
【分析】当物体的速度达到光速时，会出现很多效应，比如时间减缓效应、尺度收缩效应。
23．（2019·江苏模拟）如图所示，一列火车以速度v相对地面运动．地面上的人测得，某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁．若此光源安放在地面上，则火车上的人的测量结果是闪光先到达 (选填“前”或“后”)壁；若此光源安放在火车上；则火车上的人的测量结果是闪光先到达 (选填“前”或“后”)壁．
【答案】前；前
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】地面上的人以地面为参考系，光向前向后传播的速度相等，某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁，向前传播的路程与向后传播的路程相同，由于火车向前运动，所以点光源的到火车的前面的距离小；车厢中的人认为，车厢是个惯性系，光向前向后传播的速度相等，点光源的到火车的前面的距离小，闪光先到达前壁。若此光源安放在火车上，光源和车相对静止，由于光源距前壁的距离近，所以车上的人的测量结果是闪光先到达前壁。
【分析】光速不变原理指的是在不同的参考系里观察光，光的传播速度都相同，只需要比较光传播的距离就可以比较光传播的时间。
24．（2019·江苏模拟）如图所示，宇航飞行器以接近光速的速度经过地球．宇航舱内点光源S与前壁M和后壁N距离都是L．某时刻光源S发出一个闪光，宇航舱内仪器观测到M、N同时接收到光信号，则地面观测站观测到闪光 （选填“是”或“不是”）同时到达M、N；地面观测站观测到宇航舱前后壁间距离 （选填“＞”“＝”或“＜”）2L．
【答案】不是；＜
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】车厢中的人认为，车厢是个惯性系，光向前向后传播的速度相等，光源在车厢中央，闪光同时到达前后两壁．地面上人以地面是一个惯性系，光向前向后传播的速度相等，向前传播的路程长些，故到达前壁的时刻晚些．由相对论原理可知，地面上人看到的车厢的长度比静止时要短．即观测到的宇航舱前后壁间距离小于2L．
【分析】当物体的速度达到光速时，会出现很多效应，比如时间减缓效应、尺度收缩效应。
25．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？
【答案】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。
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【解答】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。
【分析】利用相对论公式可以发现物体质量在高速运动中会出现明显变化。
26．（2017高二下·绥棱期中）人马星座α星是离太阳系最近的恒星，它距地球4.3×1016m．设有一宇宙飞船自地球往返于人马星座α星之间．若宇宙飞船的速度为0.999c，按地球上的时钟计算，飞船往返一次需多少时间？如以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为多少？
【答案】解：以地球上的时钟计算
△t= = s=2.87×108 s=9年
若以飞船上的时钟计算，因为
△t= ，
所以得△t′=△t =2.87×108× s=1.28×107 s=0.4年．
答：按地球上的时钟计算，飞船往返一次需9年；如以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为0.4年．
【知识点】相对论时空观与牛顿力学的局限性
【解析】【分析】以地球上的时钟计算时，根据x=vt计算即可；若以飞船上的时钟计算，要考虑时间的相对论效应．
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