(共63张PPT)
5.相对论时空观与牛顿力学的局限性
1.知道爱因斯坦的两个假设的内容。
2.知道时间延缓效应及长度收缩效应结论的内容。
3.认识经典力学的局限性和适用范围。
4.了解相对论、量子力学和经典力学的关系。
学习目标
01
知识点一 相对论时空观
02
知识点二 牛顿力学的成就与局限性
目 录
03
素养培优
04
随堂演练
05
课时作业
01
PART
知识点一 相对论时空观
(1)如图甲,飞机匀速飞行,封闭机舱中的人能用抛球的力学实验
判断飞机相对于地面的速度吗?地面参考系和飞机参考系的力学规律
相同吗?
提示: 不能,相同。
(2)如图乙所示,火车以0.9倍的光速(即v=0.9c)行驶,一个人相对火
车用手电筒向前进方向上照射,在地面上观察,这束光的速度是多少?
提示: c。
1. 爱因斯坦的两个假设
(1)在不同的惯性参考系中,物理规律的形式都是 的。
(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是 的。
相同
相同
2. 时间和空间的相对性
(1)时间延缓效应
如果相对于地面以v运动的 上的人观察到与其一起运动的物
体完成某个动作的时间间隔为Δτ,地面上的人观察到该物体完成这个动作
的时间间隔为Δt,那么两者之间的关系是Δt= ,由于物体的速
度不可能达到光速,所以1-<1,总有Δt>Δτ,此种情况称为时
间 。
惯性参考系
延缓效应
(2)长度收缩效应
如果与杆 的人测得杆长是l0,沿着杆的方向,以v相对杆运动
的人测得杆长是l,那么两者之间的关系是l= ,由于1-
<1,所以总有l<l0,此种情况称为长度 。
相对静止
l0
收缩效应
3. 相对论时空观:运动物体的长度(空间距离)和物理过程的快慢(时间
进程)都跟物体的 有关。
运动状态
【易错辨析】
(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。 ( √ )
×
√
√
1. 时间延缓效应的理论依据是光速不变原理。时间延缓效应是时空的一种
属性,在运动参考系中的时间节奏变缓慢了。
2. 日常生活中的时间延缓效应可以忽略,但在运动速度接近光速时,其影
响比较大。
3. 同一物体的长度在不同的参考系内测量,会得到不同的结果,并且速度
v越大,长度收缩得越多。
4. 对于低速运动的物体,相对论效应可以忽略不计,一般用经典力学规律
来处理;对于高速运动的问题,经典力学不再适用,需要用相对论知识来
处理。
【例1】 (光速不变原理)(2025·江苏省无锡市高一期中)如图所示,
星球大战(StarWars)中凯洛 伦(KyloRen)乘坐速度为0.9c(c为光速)
的宇宙飞船追赶正前方的叔叔卢克(Luke),卢克的飞行速度为0.2c,凯
洛·伦向卢克发出一束光进行联络,则卢克观测到该光速的传播速度为
( C )
C
A. 0.7c
B. 0.9c
C. 1.0c
D. 1.1c
解析:根据光速不变原理,在一切惯性参考系中测量到真空中的光速c都一
样,而卢克所处参考系即为惯性参考系,因此卢克观测到的光速为1.0c,
故选C。
【例2】 (时间延缓效应)(2025·四川省绵阳市高一期末)在高速列车
的车厢安装一盏灯,它每隔一定时间亮一次。列车上的人测得,灯在t1'、
t2'两个时刻分别亮了一次,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';地面上的人测得这两个事件的时间间隔为
Δt=t2-t1。则Δτ与Δt的关系是( B )
A. Δτ>Δt B. Δτ<Δt
C. Δτ=Δt D. 无法确定
解析:根据时间的相对性可得Δt=,所以Δt>Δτ,故选B。
B
【例3】 (长度收缩效应)有一段长100 km的直线铁路,假设铁路上空
有一飞行器沿铁路方向以30 km/s的速度掠过。求:
(1)飞行器上的人看到铁路的长度应该为多少?
答案: 100 km
解析: 当飞行器速度为30 km/s时,≈1,长度l≈l0=100km。
解析: 当飞行器的速度达到0.6c时,由狭义相对论中的长度公式l=
l0,
代入相应的数据解得
l=100× km=80 km。
(2)假设飞行器的速度达到0.6c,则飞行器的人看到的铁路的长度又
是多少?
答案: 80 km
易错警示
理解时间和空间相对性的两个常见误区
(1)时间间隔、长度的变化,都是由于物质的相对运动引起的一种观测
效应,它与所选取的参考系有关,物质本身的结构并没有变化。
(2)两个事件的时间间隔和物体的长度,必须与所选取的参考系相联
系,如果在没有选取参考系的情况下讨论时间的长短及空间的尺寸,是没
有任何意义的。
02
PART
知识点二 牛顿力学的成就与局限性
情境:如图所示,粒子对撞机可以把质子加速到接近于光速。
问题:当我们研究质子束的运动规律时,牛顿运动定律还适用吗?
提示:不适用。
1. 牛顿力学的成就:牛顿力学的基础是 ,
的建立与应用更是确立了人们对牛顿力学的尊敬。从地面上物体的运
动到天体的运动,都服从 的规律。
2. 牛顿力学的局限性:电子、质子、中子等 ,它们不仅具有
粒子性,同时还具有 ,它们的运动规律在很多情况下不能用牛
顿力学来说明。
3. 牛顿力学的适用范围:只适用于 运动,不适用于 运
动;只适用于 世界,不适用于 世界。
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
(1)当物体的运动速度远小于光速c时(c=3×108 m/s),相对论物理学
与牛顿力学的结论没有区别;
(2)当另一个重要常数即普朗克常量h可以忽略不计时(h=6.63×10-34
J·s),量子力学和牛顿力学的结论没有区别;
(3)相对论与量子力学都没有否定过去的科学,而只认为过去的科学是
自己在一定条件下的特殊情形。
4. 相对论物理学与牛顿力学的联系
【易错辨析】
(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。 ( × )
×
×
√
×
1. 低速与高速的理解
(1)低速:通常所见物体的运动,如行驶的汽车、发射的导弹、人造地
球卫星及宇宙飞船等物体皆为低速运动物体。
(2)高速:有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近,这样
的速度称为高速。
2. 牛顿力学与相对论、量子理论的比较
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
牛顿力学(经典力学) 相对论、量子理论
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 【例4】 (牛顿力学的适用范围)(2025·浙江省台州市高一期中)下列
物理情境中,经典的牛顿力学不再适用的是( A )
A. 电子以接近光的速度运动
B. 超音速飞行的歼-20战机
C. 地球绕太阳运动
D. 体育课上,被小明同学抛出的篮球
解析: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
再适用,因此当电子以接近光的速度运动时,牛顿力学不再适用;而超音
速飞行的歼-20战机、地球绕太阳运动以及抛出的篮球都属于宏观、低速运
动的物体,牛顿力学完全适用,故选A。
A
【例5】 (牛顿力学、相对论和量子力学的对比)〔多选〕以下说法正
确的是( BC )
A. 牛顿力学理论普遍适用,大到天体,小到微观粒子均适用
B. 牛顿力学理论的成立具有一定的局限性
C. 在牛顿力学中,物体的长度不随运动状态的改变而改变
D. 相对论与量子力学否定了牛顿力学理论
BC
解析:牛顿力学理论只适用于宏观、低速运动的物体,A错误;牛顿力学
只在一定条件下适用,具有一定局限性,B正确;牛顿力学研究的是低速
运动问题,物体的长度变化很小,可以认为不变,C正确;相对论和量子
力学并没有否定牛顿力学理论,认为牛顿力学是在一定条件下的特殊情
形,D错误。
03
PART
素养培优
黑洞问题
1. 黑洞的定义:黑洞是时空中的一个区域,其引力极强,以至于任何物质
和辐射(包括光)都无法逃逸。
2. 黑洞的形成:黑洞通常由大质量恒星在生命末期发生引力坍缩形成。当
恒星耗尽其核燃料后,无法抵抗自身的引力,核心坍缩成一个密度无限大
的奇点,从而形成黑洞。
3. 黑洞的观测:黑洞本身不可见,但可通过其引力效应和周围物质的辐
射间接观测。2019年,事件视界望远镜(EHT)发布了首张黑洞(M87星
系中心)的“照片”。
4. 黑洞的应用:黑洞理论不仅用于天体物理学研究,还在引力波探测、宇
宙学和高能物理等领域有重要应用。
【典例1】 〔多选〕黑洞是质量非常大的天体,由于质量很大,引起了
其周围的时空弯曲,从地球上观察,我们看到漆黑一片,那么关于黑洞,
你认为正确的是( BC )
A. 内部也是漆黑一片,没有任何光
B. 内部的光由于引力的作用发生弯曲,不能从黑洞中射出
C. 如果有一个小的星体经过黑洞,将会被吸引进去
D. 人类还没有发现黑洞存在的证据
BC
解析:黑洞之所以黑是因为光不能从其中射出,而不是内部没有光线,由
于引力的作用,其光线弯曲程度很大,不能射出,因此内部应有光,故A
错误,B正确;当有一个小的星体经过黑洞时,由于黑洞质量很大,对小
星体有很强大的万有引力,会把小星体吸引进去,故C正确;人类已经发
现黑洞存在的证据,故D错误。
【典例2】 〔多选〕理论研究表明,黑洞是宇宙空间内存在的一种密度
极大的天体,黑洞的万有引力很大,连光都无法逃逸。已知某恒星的质量
为M,半径为R,忽略自转影响,引力常量为G,真空中的光速为c,黑洞
的逃逸速度为其第一宇宙速度的倍。则下列说法正确的是( AD )
AD
A. 该恒星的平均密度
B. 该恒星表面的重力加速度为
C. 若该恒星演化为黑洞,则其半径的最大值为(假设该恒星质量不变)
D. 若该恒星演化为黑洞,则其半径的最大值为(假设该恒星质量不变)
解析:该恒星的平均密度为ρ===,故A正确;由G=mg,
解得g=,故B错误;光无法逃逸,则黑洞的最小逃逸速度大于等于光
速,逃逸速度最小时黑洞的半径最大,由G=m,c=v,联立解得R
=,故C错误,D正确。
04
PART
随堂演练
1. (光速不变原理)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. v1<v2
C. v1=v2 D. 无法确定
解析: 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,在真空中的各个方向上,光信号传播速度的大小均相同,光速同光
源的运动状态和观察者所处的惯性系无关,可知v1=v2,故C正确。
√
2. (时间延缓效应)A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处,vA
>vB,在地面上的人观察到的结果正确的是( )
A. 火箭A上的时钟走得最快
B. 地面上的时钟走得最快
C. 火箭B上的时钟走得最快
D. 火箭B上的时钟走得最慢
解析: 由Δt=知,地面上的人观察到的结果为:A、B两火箭上
的时钟都变慢了,又vA>vB,则火箭A上的时钟走得最慢,地面上的时钟
走得最快,因此B正确,A、C、D错误。
√
3. (长度收缩效应)(2025·江苏省连云港市高一期末)一枚静止时长度
为L的火箭以接近光速的速度从观察者身边掠过,观察者观测到火箭的长
度( )
A. 小于L B. 大于L
C. 等于L D. 大于或等于L
解析: 根据相对论的“尺缩效应”可知,观察者观测到火箭的长度小
于L,故选A。
√
4. (牛顿力学的成就与局限性)(2025·四川省成都市高一期末)下列说
法正确的是( )
A. 牛顿的经典力学既适用于宏观物体,也适用于微观物体
B. 以接近光速运动的物体,沿运动方向的长度变小,垂直于运动方向的高
度也变小
C. 狭义相对论认为,在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的
D. 随着科技的不断进步,物体的运动速率完全可以加速到大于真空中的
光速c
√
解析: 牛顿的经典力学适用于宏观、低速运动的物体,对高速、微
观物体不适用,故A错误;根据爱因斯坦相对论原理可知,以接近光速
运动的物体,沿运动方向的长度变小,垂直于运动方向的高度不变,
故B错误;根据爱因斯坦狭义相对论原理,在不同的惯性参考系中,一
切物理规律都是相同的,故C正确;一切物体的运动速度都不可能大于
光速,故D错误。
课堂小结
05
PART
课时作业
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知识点一 相对论时空观
1. 〔多选〕(2025·新疆巴音郭楞高一期末)下列选项中,属于相对论时
空观的基本假设的有( )
A. 在不同的惯性参考系中,物理规律的形式都是相同的
B. 在不同的惯性参考系中,真空中的光速大小都是相同的
C. 运动物体的长度跟物体的运动状态有关
D. 物体运动的时间跟物体的运动状态有关
√
√
解析: 相对论时空观的基本假设是:在不同的惯性参考系中,物理规
律的形式都是相同的,真空中的光速大小都是相同的,故选A、B。
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2. 假设兄弟二人,哥哥乘坐宇宙飞船以接近光速的速度离开地球去遨游太
空,经过一段时间后返回地球,哥哥惊奇地发现弟弟比自己苍老许多。则
该现象的科学解释是( )
A. 哥哥在太空中发生了基因突变,停止生长了
B. 弟弟因思念哥哥而加速生长
C. 由相对论可知,物体速度越大,其时间进程越慢,生理进程也越慢
D. 这是神话,科学无法解释
解析: 根据公式Δt=可知,物体的速度越大,其时间进程越
慢,故C正确。
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3. 某考生现在正在完成100分钟的期末物理考试,假设一艘飞船相对该考
生以0.3c的速度匀速飞过(c为真空中的光速),则飞船上的观察者根据相
对论认为该考生考完这场考试所用时间( )
A. 大于100分钟 B. 等于100分钟
C. 小于100分钟 D. 不能确定
解析: 根据狭义相对论可知,飞船相对该考生以0.3c的速度匀速飞过
时,飞船上的观察者认为该考生考完这场考试所用的时间Δt=>
Δτ,即飞船上的观察者认为该考生考完这场考试所用的时间大于100分
钟,选项A正确。
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4. (2025·四川省绵阳市高一期末)将一根长木棒沿着火车行驶的方向平
放在车厢内。一个站在站台上的人,测量该木棒的长度,正确的是
( )
A. 火车速度v=0.5c时测得的长度小于火车速度v=0.2c时测得的长度
B. 火车速度v=0.5c时测得的长度等于火车速度v=0.2c时测得的长度
C. 火车速度v=0.9c时测得的长度大于火车速度v=0时测得的长度
D. 火车速度v=0.5c时测得的长度等于火车速度v=0时测得的长度
解析: 根据相对论公式l=l0,可知,火车运动的速度v越大,
所测长木棒的长度越小,故选A。
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5. 〔多选〕(2025·陕西省西安市高一阶段练习)如图,一列火车以速度v
高速相对地面运动,如果地面上的人测得,火车上某光源发出的闪光同时
到达车厢的前壁后壁,下列说法正确的是( )
A. 地面上的人看到的光速为c
B. 火车上的人看到的光速也为c
C. 光源在火车的正中间
D. 光源在火车的中点的偏向前的位置
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解析: 根据狭义相对论的光速不变原理可知,地面上的人看到的光
速为c,火车上的人看到的光速也为c,故A、B正确;地面上的人测得,火
车上某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁后壁,说明在地面上人看来,
闪光所走的路程是相等的,设光源到后壁的距离为L1,到前壁的距离为
L2,火车行驶时间为t,以地面为参考系,则有L1=ct+vt,L2=ct-vt,可
得L1>L2,可知光源在火车的中点的偏向前的位置,故C错误,D正确。
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知识点二 牛顿力学的成就与局限性
6. 〔多选〕牛顿的经典力学能很好地解释下列哪些现象( )
A. 高速公路上行驶的汽车
B. 空气中下落的雨滴
C. 原子核外电子绕核的转动
D. 空气中飘浮的肥皂泡
解析: 经典力学只适用于低速运动,不适用于高速运动;只适用于
宏观世界,不适用于微观世界。高速公路上行驶的汽车、空气中下落的雨
滴、空气中飘浮的肥皂泡都属于宏观、低速范围,经典力学适用;原子核
外电子绕核的转动属于微观现象,经典力学不适用,故A、B、D正确。
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7. (2025·广东省佛山市高一期末)关于牛顿力学与相对论,以下说法正
确的是( )
A. 中国东风27超高音速导弹的飞行速度可达到3 400 m/s,牛顿力学不再
适用
B. 真空中的光速大小在不同的惯性参考系中都是相同的
C. 牛顿力学在微观领域物质结构中不适用,因此带电粒子在电场中的运动
不满足牛顿运动定律
D. 对于地面上静止不动的物体,在不同参考系中测得该物体的长度都是
一样的
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解析: 中国东风27超高音速导弹的运动属于低速宏观的运动,故A错
误;根据狭义相对论的光速不变原理,真空中光速在不同的惯性参考系中
是相同的,故B正确;狭义相对论即适用于高速运动的物体,也适用于低
速运动的物体,经典力学是狭义相对论在低速(v c)条件下的近似,理
想状态下,带电粒子在电场中的运动也可以使用牛顿运动定律,故C错
误;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D错误。
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8. 〔多选〕如果牛顿定律在参考系A中成立,而参考系B相对于A做匀速直
线运动,则在参考系B中( )
A. 牛顿定律也同样成立
B. 牛顿定律不能成立
C. A和B两个参考系中,一切力学规律都是相同的
D. 参考系B也是惯性参考系
√
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解析: 牛顿定律适用于惯性参考系,参考系B也是惯性参考系,牛
顿定律也同样成立;A和B两个参考系中,一切力学规律都是相同的,故
A、C、D正确。
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9. 〔多选〕来自中国的量子科学实验卫星“墨子号”从太空发出两道红色
的光,射向青海德令哈站与千公里外的云南丽江高美古站,首次实现人类
历史上第一次距离达“千公里级”的量子密钥分发。下列说法正确的是
( )
A. 牛顿力学适用于描述“墨子号”绕地球运动的规律
B. 牛顿力学适用于描述光子的运动规律
C. 量子力学可以描述“墨子号”发出的“两道红色的光”的运动规律
D. 量子力学的发现说明牛顿力学已失去了实用价值
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解析: 牛顿力学可以用来描述宏观低速运动问题,故牛顿力学适用于
描述“墨子号”绕地球运动的规律,故A正确;对于运动速度接近光速的
物体的运动,不适合用牛顿力学来描述,故B错误;量子力学可以描述
“墨子号”发出的“两道红色的光”的运动规律,因为红光运动速度为光
速,所以需考虑相对论效应,使用量子力学描述,故C正确;量子力学和
牛顿力学适用范围不同,量子力学适用于高速运动,在宏观低速运动中,
牛顿力学仍然适用,不能说牛顿力学已经失去了实用价值,故D错误。
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10. (2025·广东省东莞市高一期末)爱因斯坦于1905年在德国《物理年
鉴》发表了论文《论动体的电动力学》,论文首次提出狭义相对论。假设
一艘太空飞船静止时的长度为30 m,它以0.6c(c为光速)的速度沿长度方
向飞行越过地球,根据狭义相对论,下列说法正确的是( )
A. 飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30 m
B. 地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 m
C. 飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于c
D. 地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c
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解析: 飞船上的观测者相对该飞船静止,飞船上的观测者测得该飞
船的长度等于30 m,故A错误;该飞船相对地球上的观测者是运动
的,地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 m,故B正确;根据光速
不变原理,飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度等于c,故C
错误;根据光速不变原理,地球上的观测者测得飞船上发来的光信号
速度等于c,故D错误。
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11. 〔多选〕甲乘客乘坐在接近光速运动的火车上,乙观察者站在铁轨附
近的地面上,甲、乙两人手中各持一把沿火车前进方向放置的相同的米
尺。则下列说法正确的是( )
A. 甲看到乙手中尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度要大
B. 甲看到乙手中尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度要小
C. 乙看到甲手中尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度要大
D. 乙看到甲手中尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度要小
解析: 在尺子长度方向上运动的尺子比静止时短,乙手中的尺子相对
于甲接近光速运动,所以甲看到乙手中的尺子的长度比甲看到自己手中的
尺子长度小,故A错误,B正确;同理可知,C错误,D正确。
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12. 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
长的静止的管子,它们的长度都是在静止状态下测量的。以下叙述中最好
地描述了梭镖穿过管子情况的是( )
A. 静止的观察者看到梭镖收缩变短,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,梭镖从管子的两端伸出
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
√
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解析: 梭镖相对于静止的观察者高速运动,根据相对论的长度收缩效
应可知,梭镖长度收缩变短,而管子相对于观察者是静止的,同理可知管
子长度不变,因此在某个位置,管子能完全遮住梭镖,故A正确,B、C错
误;如果梭镖和管子都以光速c相向运动,根据光速不变原理知,二者的相
对速度是c,故D错误。
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13. (2025·江苏扬州高一期末)银河系中心为一超大密度的黑洞,其第一
宇宙速度达到光速c,一距离该黑洞中心的距离为r的星体,绕黑洞中心的
周期为T,则该黑洞的半径为( )
A. B.
C. D.
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解析: 银河系中心为一超大密度的黑洞,其第一宇宙速度达到光速c,
由牛顿第二定律可得G=m,可得GM=c2R,一距离该黑洞中心的距
离为r的星体,绕黑洞中心的周期为T,由万有引力提供向心力可得G=
m1r,联立解得该黑洞半径为R=,故选A。
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THANKS
演示完毕 感谢观看