课时跟踪检测（十五） 相对论时空观与牛顿力学的局限性
组—重基础·体现综合
1．(2024·武汉高一检测)假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是( )
A．这个人是一个矮身材、胖子身材 B．这个人是一个瘦身材、高身材
C．这个人矮但不胖 D．这个人瘦但不高
解析：选D 取路旁的人为惯性参考系，车上的人相对于路旁的人高速运动，根据长度收缩效应，人在运动方向上将变窄，但在垂直于运动方向上没有发生变化，所以这个人瘦但不高，故D正确。
2．对于时空观的认识，下列说法正确的是( )
A．相对论给出了物体在低速运动时所遵循的规律
B．相对论具有普遍性，经典物理学为它在低速运动时的特例
C．相对论的出现使经典物理学在自己的适用范围内不再继续发挥作用
D．经典物理学建立在实验的基础上，它的结论又受到无数次实验的检验，因此在任何情况下都适用
解析：选B 相对论给出了物体在高速运动时所遵循的规律，经典物理学为它在低速运动时的特例，在自己的适用范围内还将继续发挥作用。经典物理学有简捷的优势。故A、C、D错误，B正确。
3．(2023·广东1月学考)地面上的观察者测得真空中的光速为v1，在匀速直线运动的列车内，观察者测得真空中的光速为v2，根据狭义相对论，下列判断正确的是( )
A．v1>v2 B．v1C．v1＝v2 D．无法确定
解析：选C 根据狭义相对论光速不变原理，光在真空中总是以确定的速度传播，速度的大小同光源的运动状态和观察者所处的惯性系无关，可知v1＝v2。故选C。
4．(多选)甲在接近光速的火车上看乙手中沿火车前进方向放置的尺子，同时乙在地面上看甲手中沿火车前进方向放置的尺子，则下列说法正确的是( )
A．甲看到乙手中的尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度大
B．甲看到乙手中的尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度小
C．乙看到甲手中的尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度大
D．乙看到甲手中的尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度小
解析：选BD 对甲来说，他看到自己手中的尺子是静止的，故长度为公式中的l0，他观察到乙手中的尺子是运动的，看到的长度相当于公式中的l，由l＝l0，得l＜l0，故甲看到乙手中的尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度小，故A错误，B正确；同理，乙看到自己手中的尺子是静止的，长度为l0，他观察到甲手中的尺子是运动的，看到的长度为l，由l＝l0，得l＜l0，故乙看到甲手中的尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度小，故C错误，D正确。
5．如图所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为( )
A．0.4c B．0.5c
C．0.9c D．c
解析：选D 由狭义相对论的基本假设：光速不变原理，真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的，可知D正确。
6．(多选)如图甲，质子束被加速到接近光速；如图乙，中子星是质量、密度非常大的星体，下列说法正确的是( )
A．经典力学适用于质子束的运动规律
B．经典力学不适用于质子束的运动规律
C．经典力学适用于中子星的引力规律
D．经典力学不适用于中子星的引力规律
解析：选BD 经典力学适用于宏观、低速物体，不适用于质子束的运动规律，也不适用于中子星的引力规律，故A、C错误，B、D正确。
7．有两个惯性参考系1和2，彼此相对做匀速直线运动，下列叙述正确的是( )
A．在参考系1看来，2中的所有物理过程都变快了；在参考系2看来，1中的所有物理过程都变慢了
B．在参考系1看来，2中的所有物理过程都变快了；在参考系2看来，1中的所有物理过程也变快了
C．在参考系1看来，2中的所有物理过程都变慢了；在参考系2看来，1中的所有物理过程都变快了
D．在参考系1看来，2中的所有物理过程都变慢了；在参考系2看来，1中的所有物理过程也变慢了
解析：选D 时间延缓效应与相对运动的方向无关，静止参考系的时间是固有时间，v为相对运动速度，Δt为观察系中经历的时间，Δτ为被观察的参考系中所经历的时间，也即固有时间。根据时间延缓效应公式Δt＝ ＞Δτ，在相对某参考系运动的参考系看来，原参考系中的时间变长了，运动就变慢了，故D正确。
8．下列说法中不正确的是( )
A．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．由静止的人来测，沿自身长度方向运动的杆的长度总比杆静止时的长度小
C．杆静止时的长度为l0，不管杆如何运动，杆的长度均小于l0
D．如果两根平行的杆在沿自己的长度方向上做相对运动，与它们分别相对静止的两位观察者都会认为对方的杆缩短了
解析：选C 若杆沿垂直于自身长度的方向运动，它的长度将不变，选项C不正确。
9.如图所示，在地面上M点固定一光源，在离光源等距的A、B两点上固定有两个光接收器，今使光源发出一闪光，问：
(1)在地面参考系中观测，谁先接收到光信号？
(2)在沿AB方向高速运动的火车参考系中观测，谁先接收到光信号？
解析：(1)因光源离A、B两点等距，光向A、B两点传播速度相等，所以光到达A、B两点所需要的时间相等。即在地面参考系中观测，两接收器同时接收到光信号。
(2)对于火车参考系来说，光源和A、B两接收器都沿BA方向运动，当光源发出的光向A、B传播时，A和B都沿着BA方向运动了一段距离到达A′和B′，如图所示，所以光到达A′的距离更长，到达B′的距离更短，即在火车参考系中观测，B比A先接收到光信号。
答案：(1)同时接收到光信号 (2)B先接收到光信号
组—重应用·体现创新
10．(多选)设某人在速度为0.5c的飞船上打开一个光源，则下列说法正确的是( )
A．飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.5c
B．飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5c
C．在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是c
D．在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c
解析：选CD 根据狭义相对论的“光速不变原理”可知，真空中的光速在不同的惯性系中都是相同的，因此真空中的光速相对于飞船的速度为c，相对于地面的速度也为c。
11．(多选)对于公式m＝，下列说法中正确的是( )
A．式中的m0是物体以速度v运动时的质量
B．当物体的运动速度v>0时，物体的质量为m>m0，即物体质量改变了，故经典力学不再适用，是不正确的
C．当物体以较小的速度运动时，质量变化十分微小，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
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
解析：选CD 公式中m0是静止质量，m是物体以速度v运动时的质量，故A错误。由公式可知，只有当v接近光速时，物体的质量变化才明显，一般情况下物体的质量变化十分微小，经典力学仍然适用，故B错误，C、D正确。
12．长度测量与被测物体相对于观察者的运动有关，一艘宇宙飞船的船身长度为l0＝90 m，相对地面以v＝0.8c的速度在一观测站的上空飞过。(光速c＝3.0×108 m/s)
(1)观测站测得飞船的船身通过观测站的时间间隔是多少？
(2)宇航员测得船身通过观测站的时间间隔是多少？
解析：(1)观测站测得船身的长度为
l＝l0＝54 m，
通过观测站的时间间隔为
Δt＝＝＝2.25×10－7 s。
(2)宇航员测得飞船船身通过观测站的时间间隔为
法一 Δt′＝＝＝3.75×10－7 s。
法二 Δt′＝＝ s
＝3.75×10－7 s。
答案：(1)2.25×10－7 s (2)3.75×10－7 s
21世纪教育网(www.21cnjy.com)(共31张PPT)
物理观念 (1)知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。
(2)知道相对论、量子力学有助于人类认识高速、微观领域。
(3)知道爱因斯坦的两个假设。
(4)知道时间延缓效应和长度收缩效应。
科学思维 (1)了解爱因斯坦两个假设，知道牛顿力学的局限性。
(2)能对时间延缓效应和长度收缩效应问题进行分析。
科学态度与责任 通过课内与课外阅读，知道相对论、量子力学和经典力学的关系，体会人类对自然界的探索是不断深入的。
5 相对论时空观与牛顿力学的局限性
核心素养点击
运动
相同
相同
运动状态
2．判断
(1)在不同的惯性系中，光速是不同的。 ( )
(2)由于在任何惯性系中力学规律都是相同的，所以，研究力学问题时可以选择任何惯性系。 ( )
(3)按照经典时空观，某一事件的发展过程，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔是相同的。 ( )
3．想一想
经典时空观和狭义相对论时空观中，空间和时间有什么不同？
提示：经典时空观中空间和时间是绝对的，与物质的运动状态无关；在狭义相对论时空观中，空间和时间是相对的，与物质的运动状态有关。
×
√
√
牛顿运动定律
万有引力定律
牛顿力学
微观粒子
波动性
低速
高速
宏观
微观
2．判断
(1)经典力学在任何情况下都适用。 ( )
(2)相对论和量子力学是对经典力学的否定。 ( )
(3)当物体的运动速度接近光速时，经典力学就不再适用了。 ( )
(4)相对论和量子力学的出现，说明经典力学已失去意义。 ( )
3．选一选
下列说法正确的是 ( )
A．牛顿定律就是经典力学
B．经典力学的基础是牛顿运动定律
C．牛顿运动定律可以解决自然界中所有的问题
D．经典力学可以解决自然界中所有的问题
×
×
×
√
解析：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；经典力学并非万能，也有其适用范围，并不能解决自然界中所有的问题，没有哪个理论可以解决自然界中所有的问题。因此只有B正确。
答案：B
[答案] (1)100 km (2)80 km
【素养训练】
1．1905年爱因斯坦提出了狭义相对论，狭义相对论的出发点是以两条基本假设为前提的，这两条基本假设是 ( )
A．同时的绝对性与同时的相对性
B．运动的时钟变慢与运动的尺子缩短
C．时间间隔的绝对性与空间距离的绝对性
D．相对性原理与光速不变原理
解析：狭义相对论的两个基本假设是相对性原理和光速不变原理，故D正确。
答案：D
2．A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上，B、C分别放在两个火箭上，以速度vB和vC朝同一方向飞行，vB>vC。在地面上的人看来，关于时钟快慢的说法正确的是 ( )
A．B钟最快，C钟最慢
B．A钟最快，C钟最慢
C．C钟最快，B钟最慢
D．A钟最快，B钟最慢
解析：根据狭义相对论的时间延缓效应可知，速度越大，钟走得越慢， 故D正确。
答案：D
3．(多选)A、B两架飞机沿地面上一足球场的长轴方向在其上空高速飞过，且vA＞vB，对于在飞机上的人观察结果，下列说法正确的是 ( )
A．A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的大
B．A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的小
C．两飞机上的人观察到足球场的长度相同
D．两飞机上的人观察到足球场的宽度相同
答案：BD
牛顿力学(经典力学) 相对论、量子理论
区别 (1)牛顿力学适用于低速运动的物体
(2)牛顿力学适用于宏观世界
(3)牛顿力学在弱引力的情况下与实验结果符合得很好 (1)相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律
(2)量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律
(3)相对论能够解释强引力情况下的作用规律
联系 (1)当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与牛顿物理学的结论没有区别
(2)当另一个重要常数即普朗克常量可以忽略不计时，量子力学和牛顿力学的结论没有区别
(3)相对论和量子力学并没有否定牛顿力学，牛顿力学是二者在一定条件下的特殊情形
2. 牛顿力学与相对论、量子理论的比较
典例3 关于经典力学、狭义相对论和量子力学，下列说法中正确的是 ( )
A．狭义相对论和经典力学是相互对立、互不相容的两种理论
B．经典力学包含于相对论之中，经典力学是相对论的特例
C．经典力学只适用于宏观物体的运动，量子力学只适用于微观粒子的运动
D．不论是宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的
[解析] 相对论没有否定经典力学，经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形，故A错误，B正确。经典力学适用于宏观、低速、弱引力的领域，故C、D错误。
[答案] B
【素养训练】
4．(多选)以下说法正确的是 ( )
A．经典力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用
B．经典力学理论具有一定的局限性
C．在经典力学中，物体的质量不随运动状态改变而改变
D．相对论和量子力学否定了经典力学理论
解析：经典力学理论具有一定的局限性，它只适用于低速、宏观物体的运动，故A错误，B正确；在经典力学中，物体的质量不随运动状态的改变而改变，即物体的质量和物体运动的速度无关，故C正确；相对论和量子力学并没有否定过去的科学，而是认为经典力学理论是在一定条件下的特殊情形，故D错误。
答案：BC
5．经典力学只适用于“宏观世界”，这里的“宏观世界”是指 ( )
A．行星、恒星、星系等巨大的物质领域
B．地球表面上的物质世界
C．人眼能看到的物质世界
D．不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界
解析：前三个选项说的当然都属于“宏观世界”，但都很片面，没有全面描述，本题应选D。
答案：D
6．关于经典时空观和相对论时空观，下列说法错误的是 ( )
A．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
B．相对论时空观认为时间和空间与物体及其运动有关系
C．经典力学只适用于宏观、低速运动问题，不适用于微观、高速运动问题
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
解析：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，故A、B正确。经典力学只适用于宏观、低速运动问题，不适用于微观、高速运动问题，故C正确。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。
答案：D
答案：ABC
答案：B
答案：BCD
