第5章万有引力定律及航天综合复习训练（含解析）2023——2024学年高物理鲁科版（2019）必修第二册

第5章万有引力定律及航天综合复习训练
学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________
一、单选题
1．下列关于经典力学的适用范围及其局限性的描述，正确的是（　　）
A．经典力学适用于以任意速度运动的物体
B．经典力学适用于宏观物体和微观粒子的运动
C．经典力学适用于做低速运动的宏观物体
2．下列关于相对论说法中错误的是（　　）
A．一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，这是经典物理学家的观点
B．一根杆的长度静止时为l0，不管杆如何运动，杆的长度均小于l0
C．如果两条平行的杆在沿自己的长度方向上做相对运动，与它们一起运动的两位观察者都会认为对方的杆缩短了
D．经典力学认为时间和空间是绝对的，而相对论认为时间和空间与物质的运动状态有关
3．物理学家通过艰辛的实验和理论研究，探索出自然规律，为人类的进步做出巨大贡献，值得我们敬仰，下列说法中正确的是（　　）
A．牛顿得出了万有引力定律，并得出了万有引力常数
B．开普勒研究了导师第谷的行星观测数据，总结出了行星运动定律
C．牛顿力学能适用微观领域中的力学现象
D．由于相对论和量子论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值
4．正、负电子的静止质量均为，当一个正电子和一个负电子相遇时可以发生湮灭现象，即两电子消失而产生一对相同的光子，则每个光子的能量为（　　）
A． B． C． D．
5．一粒子以0.05c的速率相对实验室运动，此粒子发射出一个电子，电子相对于粒子的速度为0.8c，电子的速度方向与粒子运动方向相同，则电子相对于实验室的速度为（　　）
A．0.402c B．0.505c C．0.627c D．0.817c
6．美国科学家于2016年2月11日宣布，他们探测到引力波的存在。引力波是实验验证爱因斯坦相对论的最后一块缺失的“拼图”。相对论在一定范围内弥补了牛顿力学的局限性。关于牛顿力学，下列说法正确的是 （　　）
A．牛顿力学完全适用于宏观低速运动
B．牛顿力学取得了巨大成就，是普遍适用的
C．随着物理学的发展，牛顿力学将逐渐成为过时的理论
D．由于相对论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值
7．以高速列车为例（如图所示），假定车厢安装着一个墨水罐，它每隔一定时间滴出一滴墨水，车上的人测得，墨水在t1′、t2′两个时刻在地面形成P、Q两个墨点，也就是说发生了两个事件，车上的人认为两个事件的时间间隔是Δτ=t2′-t1′，地面观察者测得的时间间隔为Δt=t2-t1，则Δτ与Δt的关系是（　　）

A．Δτ>Δt
B．Δτ<Δt
C．Δτ=Δt
D．无法确定
8．物理学的发展经历了几代人的不懈努力，下列说法中正确的是（　　）
A．引力常量是卡文迪什通过观测天体运动数据发现的
B．爱因斯坦假设：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式是不同的
C．选择不同的参考系，真空中光的传播速度是不同的
D．“月-地检验”表明地面物体所受地球引力与月球所受地球引力遵从同样的规律
二、多选题
9．关于牛顿力学、相对论和量子力学，下列说法中正确的是（　　）
A．相对论和牛顿力学是相互对立的两种理论
B．在高速运动时，物体的运动服从相对论，在低速运动时，物体的运动服从牛顿运动定律
C．牛顿力学适用于宏观物体的运动，量子力学适用于微观粒子的运动
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
10．下列说法正确的是（　　）
A．以牛顿运动定律为基础的经典力学没有存在的价值
B．物理学的发展，使人们认识到经典力学有它的适用范围
C．相对论和量子力学的出现是对经典力学的否定
D．经典力学对处理低速运动的宏观物体具有相当高的正确性
11．如果牛顿运动定律在参考系中成立，而参考系相对于做匀速直线运动，则在参考系中（　　）
A．牛顿运动定律也同样成立
B．牛顿运动定律不能成立
C．和两个参考系中，一切物理定律都是相同的
D．参考系也是惯性参考系
12．有两辆较长的火车A和B，火车A静止不动，A的中央有一个光源，在某时刻发出一个闪光。此时火车B正以一较大的速度在平行于火车A的轨道上匀速运动，如图所示。关于火车A和火车B上的观察者观察到的现象，下列说法正确的是（　　）

A．火车A上的观察者看到闪光先到达火车A的前壁
B．火车A上的观察者看到闪光同时到达火车A的前、后壁
C．火车B上的观察者看到闪光不同时到达火车A的前、后壁
D．火车B上的观察者看到闪光同时到达火车A的前、后壁
三、解答题
13．学习了广义相对论后，某同学设想通过使空间站围绕过环心并垂直于环面的中心轴旋转，使空间站中的航天员获得“人造重力”解决太空中长期失重的问题。

(1)（多选）广义相对论的基本原理是（ ）
A．相对性原理 B．光速不变原理 C．等效原理 D．广义相对性原理 E．质能关系
(2)如图所示，空间站的环状管道外侧壁到转轴的距离为r。航天员（可视为质点）站在外侧壁上随着空间站做匀速圆周运动，为了使其受到与在地球表面时相同大小的支持力，空间站的转速应为 （地面重力加速度大小用g表示）。

14．高速列车：
我国高铁技术全球领先，高铁使人们出行更加便捷，速度快，安全性高。

(1)2018年7月1日，具有自主产权的我国加长版“复兴号”动车组正式在京沪线上按照时速350km运营。
①一列往返于上海与北京两地高铁，往、返过程的位移 （选填：A．相同 B．不同）。
②“时速350km”用来描述列车 （选填：A．速度变化的快慢 B．位置变化的快慢）
③考虑到舒适程度，高铁一般开出后10分钟时速才能达到350公里，则其平均加速度约为 m/s（保留三位有效数字）。
(2)小花同学坐在高速运动的列车上，拿出一枚质量为m硬币，发现该硬币能稳稳地立在窗台上。（重力加速度为g）

①若在某一时间内列车恰好以加速度a在减速进站，则窗台对硬币的作用力为 。
②当该列车以v的速度通过半径为R的一个弯道，则该硬币受到窗台给它的摩擦力为 。
(3)小花看到旁边一个小朋友在座位上弹跳玩耍，于是她想到一个蹦床问题：如图（a）为蹦床运动示意图。A为某次下落运动员的最高点，B为运动员下落过程中刚接触蹦床时的位置，C为运动员到达的最低点

①运动员机械能守恒的过程是
A．A→B B．B→C C．A→C
②B至C，蹦床对运动员 （选填：A做正功 B．做负功 C．不做功），蹦床的弹性势能 （选填：A．不变 B．增大 C．减小）。
(4)某段时间，列车高速通过一长为L的桥梁，根据相对论效应，小花在高速运动的高铁上测得该桥的长度 L。（选填：A．大于 B．小于 C．等于）
(5)①若某型号高铁电机提供牵引力功率是9600kW，则以该功率行驶10min，对列车做功 J（保留三位有效数字）；当该列车以350km/h行驶时，该车所受的阻力为 N（保留两位有效数字）。
②如图下车后，小花用与水平方向成θ角的恒力F拉行李箱，行李箱沿水平方向移动了一段距离s。该过程力F对行李箱做的功为

A．Fs B．Fssinθ C．Fscosθ D．Fstanθ
15．考虑以下四个问题：
（1）如图所示，参考系O′相对于参考系O静止时，人看到的光速是多少？
（2）参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动时，人看到的光速是多少？
（3）参考系O′相对于参考系O以速度v向左运动时，人看到的光速是多少？
（4）根据狭义相对论理论，在上述三种情况下光速应该是多少？

16．介子是不稳定粒子，在其静止参考系中，它的寿命约为秒，如果一个介子相对于实验室的速率为0.6c。
（1）在实验室中测得它的寿命是多少？
（2）它在其寿命时间内，在实验室中测得它的运动距离是多少？
17．一火车以恒定速度u通过隧道，火车和隧道的静长均为l0。从地面上看，当火车的前端b到达隧道的B端的同时，有一道闪电正击中隧道的A端（图）。地面上的人认为，运动的火车长度缩短，闪电不能击中火车；火车上的人认为隧道长度缩短，闪电能击中火车。问哪个正确，为什么？
四、填空题
18．如图所示，空间站相对地面运动，地面上的观察者测得地面上光源发出的光同时到达空间站的前端和后端，则空间站中的人测得光先到达空间站 （选填“前端”或“后端”）；这两束闪光相对空间站的速度 （填“相等”或“不相等”）
19．“世界物理年”决议的做出与爱因斯坦的相对论时空观有关。根据爱因斯坦的理论，一把米尺，在它与观察者有不同相对速度的情况下，米尺长度是不同的，它们之间的关系见图。由此可知，当米尺和观察者的相对速度达到（为光速）时，米尺长度大约是 m。在日常长度大约是 m。在日常生活中，我们无法察觉到米尺长度变化的现象，是因为观察者相对于米尺的运动速度 。

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参考答案：
1．C
【详解】经典力学适用于做低速运动的宏观物体，不适用于高速运动的物体和微观粒子的运动。
故选C。
2．B
【详解】A．经典物理学家的观点认为，一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，故A正确，不符合题意；
B．一根杆的长度静止时为l0，当杆运动的方向与杆垂直时，杆的长度不发生变化，故B错误，符合题意；
C．根据知，沿自身长度方向运动的杆其长度总比杆静止时的长度小，故C正确，不符合题意；
D．经典力学认为时间和空间是绝对的，相对论认为时间和空间是相对的，与物质的运动状态有关，故D正确，不符合题意。
故选B。
3．B
【详解】A．牛顿得出了万有引力定律，卡文迪许通过实验测出了万有引力常数，故A错误；
B．开普勒研究了导师第谷的行星观测数据，总结出了行星运动定律，故B正确；
C．牛顿力学能适用宏观、低速领域中的力学现象，不适用微观、高速领域中的力学现象，故C错误；
D．在微观高速运动中，要用量子力学和相对论来解释，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，牛顿力学在其适用范围内仍然是正确的，故不会过时也不会失去应用价值，故D错误。
故选B。
4．A
【详解】光子能量的来源是电子质量的损失，每个电子由于质量而具有的能量是
两个电子总共具有的能量是，故每个光子的能量为。
故选A。
5．D
【详解】由相对论速度变换公式得
故选D。
6．A
【详解】A．牛顿力学适用于低速运动的宏观物体，故 A正确；
B．牛顿力学取得了巨大的成就，但它具有一定的局限性，并不是普遍适用的，故B错误；
CD．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，故CD错误。
故选A。
7．B
【详解】根据时间的相对性
Δt=
且
所以
Δt>Δτ
故选B。
8．D
【详解】A．引力常量是卡文迪什通过扭秤实验得到的，选项A错误；
B．爱因斯坦假设：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式是相同的，选项B错误；
C．根据光速不变原理：在所有的惯性系中，光在真空中的传播速率具有相同的值，故C错误；
D．“月-地检验”表明地面物体所受地球引力与月球所受地球引力遵从同样的规律，选项D正确。
故选D。
9．BC
【详解】A．经典力学是狭义相对论在低速（v c）条件下的近似，即只要速度远远小于光速，经过数学变换狭义相对论的公式就全部变化为牛顿经典力学的公式，故A错误；
B．在物体高速运动时，物体的运动规律服从狭义相对论理论，在低速运动时，物体的运动服从牛顿定律，故B正确；
CD．牛顿运动定律只适用于宏观、低速、弱引力场，不适用于微观、高速、强引力场；量子力学就是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，不适用于宏观物体，故C正确，D错误。
故选BC。
10．BD
【详解】ABD．物理学的发展，使人们认识到经典力学有它的适用范围，以牛顿运动定律为基础的经典力学适用于处理宏观、低速物体的运动，具有相当高的正确性，在生产、生活以及科技中有着广泛的应用，有其存在的价值，故A错误，BD正确；
C．虽然相对论和量子力学更加深入、科学的认识自然规律，它们是科学的进步，但并不表示可以否定经典力学，故C错误。
故选BD。
11．ACD
【详解】ABD．牛顿运动定律适用于惯性参考系，参考系也是惯性参考系，牛顿运动定律也同样成立，AD正确，B错误；
C．根据狭义相对论原理，由狭义相对论的两个基本假设可知，在不同的惯性参考系中，一切物理定律都是相同的，C正确。
故选ACD。
12．BC
【详解】
AB．由于火车A静止，光源发出的光传播到前、后壁的距离相同，所以火车A上的观察者看到闪光同时到达火车A的前、后壁，故A错误，B正确；
CD．火车B的观察者感到火车A的前、后壁到光源的距离不同，而光速不变，所以火车B上的观察者看到闪光不同时到达火车A的前、后壁，故C正确，D错误。
故选BC。
13．(1)CD
(2)
【详解】（1）广义相对论的基本原理是广义相对性原理、质能关系。
故选CD。
（2）当航天员随空间站一起自转且加速度为时，可以使其受到与在地球表面时相同大小的支持力，即有
环形管道侧壁对航天员的支持力提供航天员绕轴匀速转动的向心力，有
得
所以空间站的转速应为
14．(1) B B 0.162
(2)
(3) A B B
(4)B
(5) C
【详解】（1）[1]位移是矢量，故上海与北京两地高铁，往、返过程的位移不同。
故选B。
[2]“时速350km”用来描述列车位置变化的快慢。
故选B。
[3]列车平均加速度为
（2）[4]窗台对硬币的作用力为
[5]摩擦力提供向心力，硬币受到窗台给它的摩擦力为
（3）[6] A→B过程中只有重力做功，运动员机械能守恒，B→C过程中运动员的机械能转化为蹦床的弹性势能，运动员机械能不守恒。
故选A。
[7]B至C，蹦床对运动员的作用力向上，蹦床对运动员做负功。
故选B。
[8]蹦床对运动员做负功，蹦床的弹性势能增大。
故选B。
（4）[9]根据相对论效应，小花在高速运动的高铁上测得该桥的长度
故选B。
（5）[10]高铁电机对列车做功为
[11]该车所受的阻力为
[12]F对行李箱做的功为
故选C。
15．（1）c；（2）c＋v；（3）c－v；（4）都是c
【详解】（1）（2）（3）（4）根据速度合成法则，第一种情况人看到的光速应是c，第二种情况应是c＋v，第三种情况应是c－v，而根据狭义相对论理论，光速是不变的，三种情况光速都应是c。
16．（1）；（2）
【详解】
（1）由相对论可知
（2）在实验室中测得它的运动距离是
17．他们的看法都是正确的，理由见解析。
【详解】他们的看法都是正确的。根据相对论尺缩效应，火车沿着速度的方向的长度要缩短，所以火车看起来的长度要小于实际的长度，即地面上的人看到火车的长度小于隧道的长度，所以当电正击中隧道的A端时，火车的a端已进入隧道，闪电不能击中火车。火车上的人认为隧道长度缩短，但火车上的人看到的闪电仍然在隧道的A处，闪电击中隧道的A端时，火车的a端尚未进入隧道，所以闪电能击中火车。这种差别源自于参考系选择的不同。
18． 前端 相等
【详解】[1][2]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空间站的前端和后端，向前传播的路程与向后传播的路程相同。由于空间站向前运动，所以点光源的到空间站的前端的距离小。空间站中的人认为，空间站是个惯性系，光向前、向后传播的速度相等，点光源的到空间站的前端的距离小，闪光先到达前端。
19． 0.6 1/1.0 远远小于光速或速度很小
【详解】[1][2]根据图中信息知时，米尺长度为；当时，米尺长度为。
[3]根据相对论知，观察者相对于米尺的运动速度远远小于光速或速度很小时，米尺长度变化很小。
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