第5章 科学进步无止境
第1节 初识相对论 第2节 相对论中的神奇时空
第3节 探索宇宙的奥秘
基础过关练
题组一 经典的相对性原理与狭义相对论
1.(多选题)如果牛顿运动定律在参考系A中成立,而参考系B相对于A做匀速直线运动,则 ( )
A.在参考系B中牛顿运动定律也同样成立
B.在参考系B中牛顿运动定律不能成立
C.A和B两个参考系中,一切物理定律的形式都是相同的
D.参考系B也是惯性参考系
2.(多选题)关于经典时空观和相对论时空观,下列说法正确的是 ( )
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.研究接近光速的粒子时经典力学不适用
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
3.(多选题)关于经典力学的成就,下列说法正确的是 ( )
A.经典力学把天体的运动与地上物体的运动统一起来,是人类对自然界认识的第一次综合,是人类认识史上的一次重大飞跃
B.经典力学第一次向人们展示了时间的相对性
C.火箭、人造地球卫星、航天飞机、宇宙飞船、行星探测器等航天器的发射,都是牛顿力学规律的应用范例
D.经典力学是最早形成的物理理论,对后来的理论有重要影响
4.(多选题)关于经典力学的局限性,下列说法正确的是 ( )
A.经典力学没有局限性
B.经典力学的应用受到物体运动速度的限制,当物体运动的速度接近于真空中的光速时,经典力学就不适用了
C.经典力学不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象
D.经典力学的时间和空间分离的观点不对
题组二 时间和空间的相对性
5.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方向以接近光速的速度行驶,当铁塔B发出一个闪光,列车上的观察者测得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
6.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.这个人是一个矮胖子
B.这个人是一个瘦高个子
C.这个人矮但不胖
D.这个人瘦但不高
7.如图所示,在一个高速转动的巨大转盘上放着A、B、C三个时钟,下列说法正确的是 ( )
A.A时钟走时最慢,B时钟走时最快
B.A时钟走时最慢,C时钟走时最快
C.C时钟走时最慢,A时钟走时最快
D.B时钟走时最慢,A时钟走时最快
8.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.
9.在地面附近有一高速飞行的火箭,关于地面上的观察者和火箭中的工作人员观察到的现象,下列说法正确的是 ( )
A.地面上的人观察到火箭变短了,火箭上的时间进程变慢了
B.地面上的人观察到火箭变长了,火箭上的时间进程变慢了
C.火箭中的工作人员观察到火箭的长度不变而时间进程却变化了
D.地面上的人观察到火箭变长了,火箭上的时间进程变快了
10如图所示,假设一根10 cm长的梭镖以接近光速的速度穿过一根10 cm长静止的管子,它们的长度都是在静止状态下测量的。以下叙述中,最能准确描述梭镖穿过管子情况的是 ( )
A.静止的观察者看到梭镖变短,因此在某个位置,管子能完全遮住梭镖
B.静止的观察者看到梭镖变长,因此在某个位置,梭镖从管子的两端露出来
C.静止的观察者看到两者的收缩量相等,因此在某个位置,管子仍恰好遮住梭镖
D.如果梭镖和管子都以光速c相向运动,则二者的相对速度是2c
11.一支静止时30 m的火箭以3 km/s的速度从观察者的身边飞过。
(1)观察者测得火箭的长度应为多少
(2)火箭上的人测得火箭的长度应为多少
(3)如果火箭的速度为光速的二分之一,则观察者测得火箭的长度应为多少
(4)火箭内完好的手表走过了1 min,则地面上的人认为经过了多少时间
题组三 相对论质量
12.(多选题)电子的电荷量为1.6×1 C,质量为9.1×1 kg,一个电子被电压为106 V的电场加速后,关于该电子的质量和速度,以下说法正确的是 ( )
A.电子的质量不变
B.电子的质量增大
C.电子的速度可以达到1.9c
D.电子的速度不可能达到c
题组四 质能关系
13.已知电子的静止能量为0.511 MeV,若电子的动能为0.25 MeV,则它所增加的质量Δm与静止质量m0的比值近似为 ( )
A.0.1 B.0.2
C.0.5 D.0.9
14.根据爱因斯坦质能方程,以下说法不正确的是 ( )
A.任何核反应,只要伴随能量的产生,则反应前后各物质的质量和一定不相等
B.太阳不断地向外辐射能量,因而太阳的总质量一定不断减小
C.虽然太阳不断地向外辐射能量,但它的总质量是不可改变的
D.若地球从太阳获得的能量大于地球向外辐射的能量,则地球的质量将不断增大
题组五 广义相对论
15.(多选题)下列说法中正确的是 ( )
A.由于太阳引力场的影响,我们有可能看到太阳后面的恒星
B.强引力作用可使光谱线向红端偏移
C.引力场越强的位置,时间进程越快
D.由于物质的存在,实际的空间是弯曲的
16.在日全食的时候,通过仪器可以观察到太阳后面的恒星,这说明星体发出的光 ( )
A.经太阳时发生了衍射
B.可以穿透太阳及其他障碍物
C.在太阳引力场的作用下发生了弯曲
D.经过太阳外的大气层时发生了折射
17.关于相对论,下列说法正确的是 ( )
A.狭义相对论认为,如果物体在地面上静止不动,任何人在任何参考系里面测出物体的长度都是一样的
B.狭义相对论认为,对于一切物理规律,所有的参考系都是平权的
C.狭义相对论认为,相对于观察者静止的钟走得是最慢的
D.广义相对论认为,一个做匀加速运动的参考系和一个均匀的引力场是等效的
18.以下说法中,错误的是 ( )
A.矮星表面的引力很强
B.时钟在引力场弱的地方比在引力场强的地方走得快些
C.在引力场越弱的地方,物体长度越长
D.在引力场强的地方,光谱线向绿端偏移
题组六 宇宙的起源和演化
19.根据宇宙大爆炸的理论,在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期,那么在大爆炸之后最早产生的粒子是 ( )
A.夸克、轻子、胶子等粒子
B.质子和中子等强子
C.光子、中微子和电子等轻子
D.氢核、氘核、氦核等轻核
答案与分层梯度式解析
第5章 科学进步无止境
第1节 初识相对论
第2节 相对论中的神奇时空
第3节 探索宇宙的奥秘
基础过关练
1.ACD 2.ABC 3.ACD 4.BCD 5.C 6.D
7.C 8.D 9.A 10.A 12.BD 13.C
14.C 15.ABD 16.C 17.D 18.D 19.A
1.ACD 由于牛顿运动定律在参考系A中成立,因此A为惯性参考系。而B相对于A做匀速直线运动,所以B也为惯性参考系。根据相对性原理,一切物理规律在不同的惯性参考系中都具有相同的形式,故A、C、D正确,B错误。
2.ABC 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。
3.ACD 经典力学把天体的运动与地上物体的运动统一起来,是人类认识史上的一次重大飞跃,对后来的理论有重要影响,故A、D正确;时间的相对性是相对论的观点,故B错;航天器的发射与运行是牛顿力学规律的应用范例,故C对。
4.BCD 经典力学仅适用于宏观、低速运动的物体,当物体运动的速度接近于真空中的光速时,经典力学就不再适用了,A错误,B正确;经典力学无法解释微观领域中物质结构和能量不连续的现象,C正确;时间与空间是相关的,D正确。
5.C 列车上的观察者看到的是由B发出后经A和C反射的光,由于列车在这段时间内靠近C,而远离A,所以C的反射光先到达列车上的观察者所在位置,故观察者看到C先被照亮,故C正确。
6.D 取路旁的人为惯性系,车上的人相对于路旁的人高速运动,根据长度收缩效应,观察到车上的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,故选D。
7.C 在A、B、C三个时钟中,C相对于地面的速度最大,A相对于地面的速度最小;由τ=可知,C时钟走时最慢,A时钟走时最快,故选项C正确。
8.D 根据相对论效应可知,沿x轴方向正方体棱长缩短,沿y轴方向正方体棱长不变。故选D。
9.A 根据狭义相对论的“长度收缩效应”和“时间延缓效应”可判断选项A正确。
10.A 根据相对论时空观的长度收缩效应,梭镖相对于观察者运动,那么梭镖收缩变短,而管子长度不变,因此在某个位置,管子能完全遮住梭镖,选项A正确,B、C错误;由光速不变原理可知物体的速度不会超过光速c,选项D错误。
11.答案 (1)约30 m (2)30 m (3)约26 m
(4)约1 min
解析 (1)火箭外面的观察者看火箭时,有相对速度v,则它的测量值要缩短,即l'(2)火箭上的人相对火箭永远是静止的,无论火箭速度是多少,火箭上的人测得的火箭长与静止时测得的火箭长相等,为l=30 m。
(3)当v=时,l'≈26 m。
(4)火箭上的时间Δt'=1 min,火箭的速度v=3 km/s,所以地面上的人观测到的时间Δt== min≈1 min。
12.BD 电子被电场加速后,根据m=可知,随着电子速度的增大,其质量也增大,故A错误,B正确;此时不能根据eU=m0v2求速度,任何物体的速度都不可能达到光速c,故C错误,D正确。
13.C 由质能关系式E=m0c2可知,E1=m0c2=0.511×106×1.6×10-19 J,E2=Δmc2=0.25×106×1.6×10-19 J,=≈0.5,故C项正确。
14.C 根据质能方程E=mc2,当物体能量变化时,参加核反应的物质质量会发生变化,故选项A正确;太阳向外辐射能量,对应的总质量一定减小,故选项B正确,C错误;当地球向外辐射的能量小于从太阳获得的能量时,地球的总能量增加,对应地球的质量也将增加,选项D正确。
15.ABD 由广义相对论可知,物质的引力使光线弯曲,我们有可能看到太阳后面的恒星,因此选项A、D正确;在引力场中时间进程变慢,而且引力越强,时间进程越慢,强引力场作用使光的波长变长,频率变低,所以光谱向红端偏移,因此我们能观察到引力红移现象,所以选项B正确,C错误。
16.C 根据爱因斯坦的广义相对论可知,光线在太阳引力场的作用下发生了弯曲,所以可以在适当的时候(如日全食时)通过仪器观察到太阳后面的恒星,故C正确,A、B、D均错误。
17.D 根据长度收缩效应,相对论时空观认为运动的尺子会变短,如果物体在地面上静止不动,在相对于地面运动的参考系里面测出物体的长度和在地面上测出物体的长度是不一样的,故A错误;狭义相对论认为,一切的惯性参考系都是平权的,即物理规律的形式在任何的惯性参考系中都是相同的,故B错误;根据时间延缓效应,运动的钟比静止的钟走得慢,狭义相对论认为相对于观察者静止的钟走得最快,故C错误;广义相对论是一种新的时空与引力的理论,广义相对论认为一个做匀加速运动的参考系和一个均匀的引力场是等效的,故D正确。
18.D 因矮星体积很小,质量却不小,所以矮星表面引力很强,故选项A正确;根据广义相对论的结论可知,引力场越强,时间进程越慢,故选项B正确;在引力场越弱的地方,物体长度越长,故C正确;在引力场强的地方,光谱线向红端偏移,故选项D错误。
19.A 宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子,之后又经历了质子和中子等强子时代,再之后是自由的光子、中微子、电子大量存在的轻子时代,再之后是中子和质子结合成氘核,并形成氦核的核时代,之后电子和质子复合成氢原子,最后形成恒星和星系,因此A正确;B、C、D中的粒子都产生在A中粒子之后,故B、C、D错。
8(共6张PPT)
第1节 初识相对论
第2节 相对论中的神奇时空
第3节 探索宇宙的奥秘
必备知识 清单破
1 | 相对论的诞生
知识点
1.实验基础
迈克尔孙—莫雷实验证明不论光源与观测者做怎样的相对运动,光速都是一样的。
2.两个基本假设
相对性 原理 所有物理规律在一切惯性参考系中都具有
相同的形式
光速不变 原理 在一切惯性参考系中,测量到的真空中的光
速c都一样(c=3×108 m/s)
2.两个基本假设
1.时间的相对性
(1)经典时空观:时间是绝对时间,与运动无关。
(2)相对论时空观:当时钟相对于观测者静止时,时钟走得快些;当时钟相对于观测者高速运动
时,观测者认为时钟变慢了。在一列以速度v做匀速直线运动的火车中做一个实验,同一个物
理过程,站台上的观测者测得的时间为τ,车内乘客测得的时间为τ0,τ与τ0间的关系为:τ=
。
2 | 时间和空间的相对性
知识点
2.空间的相对性
(1)经典的时空观:空间是绝对空间,与运动无关。
(2)相对论的时空观:空间与运动密切相关。一根沿自身长度方向运动的杆,其长度总比杆静
止时的长度小。设相对于杆静止的观察者认为杆的长度为l0,沿杆长度方向相对运动的人认
为杆的长度为l,杆相对于观察者的速度为v,则l、l0、v的关系是l=l0 。
1.质能关系
质量和能量的关系为E=mc2,称为质能关系式。其中m是物体的质量,E是它具有的能
量。质量和能量是物质不可分离的属性,当物质的质量减少或增加时,必然伴随着能量的减
少或增加,其关系式为ΔE=Δmc2。
2.时空弯曲
(1)恒星的光线在太阳附近弯曲的数值,与广义相对论的理论预言相当吻合。
(2)光线在引力场中的弯曲可等效为空间本身被引力弯曲。引力不但影响空间,而且影响时
间,即时空弯曲。
3 | 质能关系 时空弯曲
知识点
1.静止或匀速直线运动的参考系是惯性系。 ( )
2.由于在任何惯性系中力学规律都是相同的,因此,研究力学问题时可以选择任何惯性系。
( )
3.在不同的惯性系中,光速是不相同的。 ( )
4.在狭义相对论时空观中空间和时间与物质的运动状态无关。 ( )
知识辨析 判断正误，正确的画“ √” ，错误的画“ ” 。
√
√
