5.2相对时空观简介同步练习（含解析）2023——2024学年高中物理教科版（2019）必修第二册

5.2相对时空观简介 同步练习
学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________
一、单选题
1．关于牛顿经典力学与相对论，下列说法中正确的是（ ）
A．相对论彻底否定了牛顿力学
B．在相对论中，运动的钟比静止的钟慢
C．牛顿力学能应用于接近光速运动的问题
D．牛顿力学能应用于分子、原子和原子核等的微观领域
真空中光速为c。如图为一车厢，向右作匀速直线运动，v=0.9c，车厢内中心有一光源，上方有一个接收器，车厢内可视为真空。

2．在地面上的观察者看来，光源发出的闪光（　　）
A．同时到达车厢前壁和后壁 B．先到达前壁
C．不会到达前壁和后壁 D．先到达后壁
3．发出闪光时，开始计时，待接收器接收后结束计时，车厢内的人计时为t1，站在地面上的人计时为t2，则（　　）
A．t1t2
4．车厢内的人测得车厢长为L，则地面上的人测得车厢长为（　　）
A．L B． C．
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．如图所示，一列火车在A、B间以速度v相对地面运动。如果地面上的人测得某光源某次发出的闪光同时到达A、B两点，那么按照火车上人的测量，该次闪光（　　）
A．先到达A点 B．先到达B点 C．同时到达A、B点 D．无法确定
7．两相同的米尺，分别静止于两个相对运动的惯性参考系S和S′中，若米尺都沿运动方向放置，则（　　）
A．S系的人认为S′系的米尺要短些
B．S′系的人认为S系的米尺要长些
C．两系的人认为两系的米尺一样长
D．S系的人认为S′系的米尺要长些
8．在粒子对撞机中，有一个电子经过高压加速，速度达到光速的0.8，此时质量m与原质量m0的关系为（ ）
A．m = m0 B．m = 0.5m0
C．m = 1.155m0 D．m =
二、多选题
9．下列说法正确的是（　　）
A．伽利略在研究力与运动的关系时用了理想实验法
B．“重心”概念的建立用到了理想模型法
C．开普勒基于第谷的观测数据总结得到开普勒三定律
D．在不同的惯性参考系中，物理规律的形式不同
10．下列说法正确的是（　　）
A．物体所受合力的冲量越大，但合力做功不一定越大
B．一个热力学系统不可能把吸收的热量全部用来对外做功
C．一些昆虫可以停在水面上，是因为昆虫受到水的浮力等于昆虫的重力
D．狭义相对论的其中一个假设是在不同的惯性参考系中物理规律的形式都是相同的
11．关于静止时质量为的物体，当以速度为运动时物体的质量m，以下说法正确的是（　　）
A．在任何情况下，物体的质量都不会改变，即与a和v都无关
B．当物体的运动速度时，物体的质量，即物体的质量改变了，故经典力学不适用，是不正确的
C．当物体以较小速度运动时，质量变化十分微弱，经典力学理论仍然适用，只有当物体的运动接近光速时，质量变化才明显，故经典力学适用于低速运动，而不适用于高速运动
D．通常由于物体的运动速度太小，故质量的变化引不起我们的感觉，在分析地球上物体的运动时，不必考虑质量的变化
12．物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识，推动了科学技术的创新和革命，促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步。下列表述正确的是（　　）
A．牛顿首先发现了万有引力定律
B．卡文迪什第一个测出了引力常量，也成为了第一个测出地球质量的人
C．相对论的创立表明牛顿力学已不再适用
D．相对论时空观把物理学推到更高领域
三、解答题
一、近代物理学初步
光给世界带来光明，使我们能看清周围的景物，进行各种活动；光从太阳、星球射到我们这里，给我们带来了宇宙空间的信息，使我们能够认识宇宙；光从原子、分子内部发射出来，使我们认识了微观世界的奥秘。
13．如图所示的现象中，解释成因正确的是（　　）
A．图甲所示泊松亮斑是由于光的干涉形成的
B．图乙所示水中的气泡看上去特别明亮，主要是由于光的折射引起的
C．图丙所示疾驰而过的急救车使人感觉音调变化，是由于多普勒效应引起的
D．图丁所示竖直的肥皂膜看起来常常是水平彩色横纹，是由于光的衍射产生的
14．关于下列四幅图的说法，正确的是（　　）
A．甲图为放射源放出的三种射线在磁场中运动的轨迹，射线1为α射线
B．乙图中，用紫外光灯照射与验电器相连的锌板，发现原来闭合的验电器指针张开，此时锌板和验电器均带正电
C．丙图为α粒子散射实验示意图，卢瑟福根据此实验提出了原子核具有复杂结构
D．丁图为核反应堆示意图，它是利用了铀核聚变反应所释放的能量
15．2003年全美物理学家的一项调查中评选出“十大最美物理实验”，排名第一的为1961年物理学家利用“托马斯·杨”双缝干涉实验装置，进行电子干涉的实验。从辐射源辐射出的电子束经两个靠近的狭缝后在显微镜的荧光屏上出现干涉条纹，该实验说明（　　）
A．光具有波动性 B．光具有波粒二象性
C．微观粒子也具有波动性 D．微观粒子也是一种电磁波
16．贝克勒尔在120年前首先发现了天然放射现象，如今原子核的放射性在众多领域中有着广泛应用。下列属于放射性衰变的是（　　）
A． B．
C． D．
17．2021年《自然》杂志报道了中国科学家在稻城“拉索”基地探测到的迄今为止最高能量的γ射线，能量值达到。若此能量全部用以加速一个静止的氦核（），不考虑氦核因加速而产生的电磁辐射以及相对论效应，氦核最终能被加速到 （，氦核的静止质量），若采用电场加速氦核，需要提供 V的电压才能将氦核加速到上述速度。你认为你计算的结果合理吗 ？简要阐述理由 。
太空航行
科学家从“风帆”原理获得灵感，提出利用“光帆”反射光子来加速飞船。
18．（多选）甲、乙两人分别乘坐速度为和（c为真空中的光速）的光帆飞船在太空中沿同一直线同向运动，则（　　）
A．乙看到甲的身高变高
B．甲观察到乙身高变矮
C．若甲向乙挥手，则乙观察到甲动作变慢
D．若乙向甲挥手，则甲观察到乙动作变慢
19．1952年华纳·冯·布朗设计的旋转太空站如图（a）。当该太空站绕垂直于其盘面的轴线以特定的转速匀速转动时，站在太空站内的宇航员会受到与站在地球表面时相同大小的支持力作用，以此模拟重力。如图（b）所示装置是直径为的旋转太空站简化图，则宇航员（　　）
A．感受到的“重力”方向指向O点
B．在位于a点的房内，感受到的“重力”会大于位于b点的房内
C．若要感受到与地球相同大小的重力，旋转舱的角速度约为
20．小明驾驶一质量为m的飞船，在距离地心为R的轨道上绕地球做匀速圆周运动，周期为。
（1）地球同步卫星（周期为）的轨道 R。
（2）现小明要驾驶该飞船从原来轨道移至同步卫星的轨道上，已知地球质量为M，万有引力恒量为G，以无穷远为零势能面，轨道上物体的引力势能大小（r为离地心的距离），则该飞船变轨所需的最小能量为( )
A B． C． D．
21．小明在飞船内用A、B两个木块和频闪照相机“验证动量守恒定律”。相机闪光4次拍得相片如图所示。已知相邻两次闪光的时间间隔，在这4次闪光的时间内，滑块A、B均处于的范围内，且第一次闪光时，A在处，B在处，滑块间的碰撞时间极短。A滑块碰撞后的速度大小 ；小明通过正确的计算，确定两滑块碰撞前后动量守恒，则可推出滑块A、B的质量之比 。
22．光子具有动量，其大小（其中E为光子的能量、c为真空中的光速），方向沿光的传播方向。光照射到物体表面并被反射时会对物体产生持续均匀的压力，这种压力会对物体表面产生压强，称为“光压”。一光帆飞船在太阳光的作用下航行。
（1）已知地球表面单位面积上的太阳光功率，日、地间距约。若该飞船总质量，其上安装有能够将光子完全反射、面积的光帆。求该飞船距离太阳远时，光帆上的最大“光压力”的大小F 。
（2）（多选）在其他条件相同的情况下( )
A黑色的光帆比白色的光帆能获得更大的压力
B．光帆张开面积越大，光帆上受到的压力越大
C． 飞船离太阳越远，光帆上获得的压力必越小
D．光帆垂直于阳光时，光帆上获得的压力最大
北京时间2022年6月5日10时44分，搭载神舟十四号载人飞船的长征二号F遥十四运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射，接替神舟十三号飞杆乘组：17时42分，成功对接于天和核心舱径向端口，整个对接过程历时约7小时。
23．2022年10月，中国航天员陈冬、刘洋、蔡旭哲在“天宫”空间站上通过天地连线，为同学们上了一堂精彩的科学课。通过直播画面可以看到，在近地圆轨道上飞行的空间站中，航天员可以自由地漂浮，这表明他们（　　）
A．所受地球引力的大小近似为零
B．所受地球引力与飞船对其作用力两者的合力近似为零
C．所受地球引力的大小与其随飞船运动所需向心力的大小近似相等
D．在地球表面上所受引力的大小小于其随飞船运动所需向心力的大小
24．“天宫”空间站是中国自主研发的航天器，以此为平台可以进行很多科学实验。若沿空间站运动方向向前发出一束激光，设真空中的光速为c，空间站对地速度为v，则地面上观察者测得的光速为（　　）
A． B．c C． D．无法确定
25．神舟十四号与天宫空间站进行对接的运动可简化为如图所示的情境，圆形轨道2为天宫空间站运行轨道，椭圆轨道1为载人飞船运行轨道，两轨道相切于P点，Q点在地面附近，是轨道1的近地点，则下列判断正确的是（　　）

A．载人飞船从Q点到P点的运动过程中万有引力做正功
B．在轨道1从P点到Q点运行过程中线速度逐渐增大
C．在轨道1的运行周期比在轨道2的运行周期大
D．经过轨道1的P点的加速度比经过轨道2的P点的加速度大
26．2022年4月神舟十三号返回舱载着空间站上一批的航天员翟志刚、王亚平和叶光富返回地球。返回舱进入大气层一段时间后，逐一打开引导伞、减速伞、主伞。最后启动反冲装置，实现软着陆，其运动简化为竖直方向的直线运动，图像如图所示。设该过程中，重力加速度不变，返回舱质量不变，下列说法正确的是（　　）

A．在时间内，返回舱的加速度增大
B．在时间内，返回舱重力的功率大小不变
C．在时间内，返回舱的动能随时间不变
D．在时间内，返回舱的机械能减小
27．若已知地球质量为M，神舟十四号的质量为m，引力常量为G，不考虑地球自转的影响，若取无穷远处引力势能为零，质量为m物体与地心距离为r时引力势能为。
（1）神舟十四号在轨道上做圆周运动时的动能为多大？在轨道上做圆周运动时的引力势能为多大？
（2）神舟十四号从半径较小的圆周轨道，升高到半径较大的圆轨道。从轨道上变轨到轨道上的过程中克服引力做了多少功？
（3）神舟十四号从半径较小的圆周轨道，升高到半径较大的圆轨道。发动机至少要做多少功？
四、填空题
28．（1）为了提高定位精度，卫星定位系统的时钟需要精确同步。导航卫星在高空绕地球高速运动，根据狭义相对论，卫星里的时钟要比静止在地面的时钟走得 ；而根据广义相对论，地面的引力场强于卫星所处位置的引力场，所以卫星里的时钟要比静止在地面的时钟走得 。（选填“快”或“慢”）
（2）除（1）中的相对论效应外，请再各举例一个效应：①由于狭义相对论引起： ，②由于广义相对论引起： 。
29．如图所示，a、b、c为三个完全相同的时钟，a放在水平地面上，b、c分别放在以速度vb、vc向同一方向飞行的两火箭上，且vb
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参考答案：
1．B
【详解】A．相对论没有否定牛顿力学,是对牛顿力学的补充，故A错误；
B．在相对论中，运动的钟比静止的钟慢，故B正确；
CD．牛顿力学适用于宏观低速运动的物体，对微观高速运动的粒子不适用，故CD错误。
故选B。
2．D 3．A 4．C
【解析】2．对于地面上的观察者来说，他以地面为参考系，因闪光向前、后传播的速率对地面也是相同的，在闪光飞向两璧的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些。他观测到的结果应该是：闪光先到达后壁，后到达前壁。
故选D。
3．根据时间延缓效应可知
故选A。
4．地面上的人测得车厢长为
故选C。
5．D
【详解】由相对论速度变换公式得
故选D。
6．A
【详解】地面上的人以地面为参考系，光向前、向后传播的速度相等，光源该次发出的闪光同时到达A、B点，向前传播的路程与向后传播的路程相同。车厢中的人以车厢为参考系，光向前、向后传播的速度相等，A点与光相向运动，B点与光同向运动，该次闪光先到达A点。
故选A。
7．A
【详解】由
可知两系的人认为另一系的米尺要短些。
故选A。
8．D
【详解】根据爱因斯坦相对论的公式
故选D。
9．AC
【详解】A．伽利略通过理想斜面实验研究力与运动关系，伽利略运用了理想实验的科学研究方法，故A正确；
B．引入“重心”的概念，作为物体所受重力的等效替代点，运用了等效替代的方法，故B错误；
C．开普勒根据第谷的观测数据总结出了开普勒三定律，故C正确；
D．根据狭义相对论基本原理，在不同的惯性参考系中，物理规律的形式相同，都是等价的，故D错误。
故选AC。
10．AD
【详解】A．物体所受合力的冲量越大，则动量变化量越大，动量变化可能只改变方向，故动能不一定变大，合外力做功不一定越大，故A正确；
B．一定量的理想气体在等温膨胀过程中吸收的热量等于对外做的功，并不违反热力学第二定律，该过程中可能引起了其他方面的变化，故B错误；
C．一些昆虫可以停在水面上，是由于水表面存在表面张力的缘故，故C错误；
D．狭义相对论的其中一个假设是在不同的惯性参考系中物理规律的形式都是相同的，故D正确。
故选AD。
11．CD
【详解】
ABC．根据公式，当物体的运动速度时，物体的质量；但是当物体以较小速度运动时，质量变化十分微弱，经典力学理论仍然适用；只有当物体以接近光速运动时，质量变化才明显，故经典力学适用于低速运动，而不适用于高速运动，故A、B错误，C正确；
D．根据公式，通常物体的运动速度太小，故质量的变化引不起我们的感觉，在分析地球上物体的运动时，不必考虑质量的变化，故D正确。
故选CD。
12．ABD
【详解】AB．牛顿在总结前人的基础上发现了万有引力定律，而英国科学家卡文迪什利用扭秤装置，第一次测出了引力常量G，也成为了第一个测出地球质量的人，故A正确，B正确；
C．相对论的创立并不表明经典力学已不再适用，以牛顿运动定律为基础的经典力学，依然适用于低速宏观的物体，故C错误；
D．狭义相对论的建立，是人类取得的重大成就，相对论时空观把物理学推到更高领域，故D正确。
故选ABD。
13．C 14．B 15．C 16．A 17． 不合理 因为是微观粒子高速运动，经典力学不适用
【解析】13．A．图甲所示泊松亮斑是由于光的衍射形成的，故A错误；
B．图乙所示水中的气泡看上去特别明亮，主要是由于光由水照射到气泡表面时发生了全反射，故B错误；
C．图丙所示疾驰而过的急救车使人感觉音调变化，是由于多普勒效应引起的，故C正确；
D．图丁所示竖直的肥皂膜看起来常常是水平彩色横纹，是由于光的干涉产生的，故D错误。
故选C。
14．A．甲图为放射源放出的三种射线在磁场中运动的轨迹，根据左手定则可知，射线1带负电，为β射线，而射线3是α射线，故A错误；
B．用紫外光灯照射与验电器相连的锌板，发生光电效应，电子逃出，此时锌板和验电器均带正电，故B正确；
C．丙图为α粒子散射实验示意图，卢瑟福根据此实验提出了原子的核式结构模型，故C错误；
D．丁图为核反应堆示意图，它是利用了铀核裂变反应所释放的能量，故D错误。
故选B。
15．电子的双缝干涉说明微观粒子具有波动性，因为干涉是波所特有的现象。
故选C。
16．A．该反应为衰变，故A正确；
B．该反应为核裂变，故B错误；
C．该反应为核聚变，故C错误；
D．该反应为原子核的人工转变，故D错误。
故选A。
17．[1]根据
得
[2]根据
得
[3][4]计算的结果不合理，因为是微观粒子高速运动，经典力学不适用。
18．CD 19．C 20． 4 C 21． 1 22． BCD
【解析】18．AB．因为人是垂直于物体速度方向的，竖直方向上没有尺缩效应，即甲乙观察对方身高时不变，故AB错误；
CD．根据相对论的钟慢效应，可以推测两人在接近光速运动时，相对地球来说时间都变慢了，若甲向乙挥手，则乙观察到甲动作变慢，若乙向甲挥手，则甲观察到乙动作变慢，故CD正确。
故选CD。
19．A．环形空间站内的宇航员随空间站一起做圆周运动，其需要指向圆心的向心力，由外侧底面提供指向圆心的支持力，这个支持力给航天员一种地面支持力的感觉，所以“重力”与这个支持力方向相反，指向环的外侧，故A错误；
B．根据题意可知，感受到的“重力”大小等于做圆周运动所需要的向心力大小，即
则在位于a点的房内，感受到的“重力”会小于位于b点的房内，故B错误；
C．根据题意，结合B分析有
解得
故C正确。
故选C。
20．（1）[1]根据题意，由开普勒第三定律有
解得
（2）[2]根据万有引力提供向心力有
可得，该飞船变轨前的速度大小为
该飞船变轨后的速度大小为
设该飞船变轨所需的最小能量为，由能量守恒定律有
解得
故选C。
21．[1][2]由图可知，第2、3、4次闪光时B未发生移动，则发生碰撞后B的速度为0，B静止，由图示可知，碰撞发生在。碰撞后A向左做匀速运动，由图示可知，在两次闪光时间内滑块A的位移
则
代入数据解得，碰撞后物体A的速度大小为
由图示可知，两滑块发生碰撞到第二次闪光时A向左运动的距离
设运动时间为，则
代入数据解得
设第一次闪光到发生碰撞时间为，有
代入数据解得
则碰撞前滑块A的速度大小为
方向向右，碰撞前滑块B的速度大小为
方向向左，碰撞后B的速度为零，两滑块碰撞过程系统动量守恒，以向左为正方向，由动量守恒定律得
解得
22．（1）[1]根据题意，设太阳光辐射功率为，则有
时间内辐射到光帆上光子的总能量为
光子的总动量为
能够将光子完全反射，由动量定理有
解得
（2）[2]AD．根据题意可知，每个光子垂直照射到光帆上并反射时，动量的变化量最大，由动量定理可知，此时，对光帆产生的压力最大，黑色的光帆吸收光子，白色的光帆反射光子，则白色的光帆能获得更大的压力，光帆垂直于阳光时，光帆上获得的压力最大，故A错误，D正确；
BC．设太阳单位时间内向外辐射的光子数为，太阳到光帆的距离为，光帆的面积为，则单位时间内照射到光帆上的光子数为
设时间内，对光帆产生的压力为，由动量定理有
解得
若其它条件不变的情况下，光帆张开面积越大，光帆上受到的压力越大，飞船离太阳越远，即越大，光帆上获得的压力必越小，故BC正确。
故选BCD。
23．C 24．B 25．B 26．D 27．（1），；（2）（3）
【解析】23．ABC．宇航员受地球的万有引力不为零，受飞船作用力为零，所受地球引力与飞船对其作用力两者的合力等于地球引力，地球引力提供宇航员圆周运动的向心力，AB错误，C正确；
D．在地球表面上所受引力的大小大于其随飞船运动所受引力的大小，则在地球表面上所受引力的大小大于其随飞船运动所需向心力的大小，D错误。
故选C。
24．根据光速不变原理，地面上观察者测得的光速为c。
故选B。
25．A．载人飞船从Q点到P点的运动过程中远离地球，万有引力做负功，A错误；
B．远地点速度最小，近地点速度最大，在轨道1从P点到Q点运行过程中线速度逐渐增大，B正确；
C．根据开普勒第三定律
在轨道1的运行周期比在轨道2的运行周期小，C错误；
D．根据
得
经过轨道1的P点的加速度与经过轨道2的P点的加速度相等，D错误。
故选B。
26．A．图像斜率等于加速度，可知在时间内，返回舱的加速度减小，A错误；
B．在时间内，返回舱速率减小，根据
在时间内，回舱重力的功率减小，B错误；
C．在时间内，返回舱的速率减小，则动能随时间减小，C错误；
D．在时间内，返回舱匀速下降，机械能减小，D正确。
故选D。
27．（1）根据
神舟十四号在轨道上做圆周运动时的动能为
引力势能为
（2）克服引力做功为
（3）发动机做功等于机械能的增加量
28． 慢 快 见解析 见解析
【详解】（1）[1][2] 导航卫星在高空绕地球高速运动，根据时钟延缓效应，卫星里的时钟要比静止在地面的时钟走得慢，而根据广义相对论，地面的引力场强于卫星所处位置的引力场，所以卫星里的时钟要比静止在地面的时钟走得快。
（2）[3][4] 由于狭义相对论引起：狭义相对论的尺缩效应。由于广义相对论引起：日食时，我们可以看到太阳背后的星星（引力扭曲光线）
29．c
【详解】[1]根据公式
可知，相对于观察者的速度v越大，其上的时间进程越慢，由于
vc>vb>va=0
可知c钟走得最慢。
答案第1页，共2页
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