人教版 (2019)必修 第二册5 相对论时空观与牛顿力学的局限性课后复习题

这是一份人教版 (2019)必修 第二册5 相对论时空观与牛顿力学的局限性课后复习题，共14页。试卷主要包含了相对论时空观与牛顿力学的局限性，时间和空间的相对性，牛顿力学的局限性，0 μs等内容，欢迎下载使用。


知识结构导图
核心素养目标
物理观念：惯性系的概念，经典时空观与相对论时空观．
科学探究：查阅相对论时空观的验证资料，体会人类对自然界的探究是不断深入的．
科学思维：经典理论与狭义相对论的区别．
科学态度与责任：会利用相对论时空观解释与日常生活相关的时间和长度的相对性问题
知识点一 相对论时空观
阅读教材第65～67页“相对论时空观”部分．
1．惯性系与非惯性系
(1)凡是牛顿运动定律成立的参考系，称为惯性参考系，简称惯性系，相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系．惯性系就是没有加速度的参考系，如地面．
(2)牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性参考系，如加速中的汽车，这个汽车作为参考系就是非惯性参考系．
2．经典相对性原理：
表述一：力学规律在任何________中都是相同的．
表述二：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做________运动．
表述三：任何惯性系都是________的．
3．狭义相对论的两个基本假设：
(1)实验基础：不论光源与观测者做怎样的相对运动，光速都是________．
(2)两个基本假设.
4.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在________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1－eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(v,c)))2<1，所以总有Δt>Δτ，此种情况称为时间________．
(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－eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(v,c)))2<1，所以总有l图解1：
图解2：
小车的加速度a＝0时，单摆和小球的状态符合牛顿运动定律；小车的加速度a≠0时，单摆和小球的状态不符合牛顿运动定律．
点睛：运动物体的长度(空间距离)和物理过程的快慢(时间进程)都跟物体的运动状态有关．
知识点二 牛顿力学的成就与局限性
阅读教材第68页“牛顿力学的成就与局限性”部分．
1．牛顿力学的成就
(1)从地面上物体的运动到________的运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从自行车到汽车、火车、飞机等________工具的运动，从投出篮球到发射________、人造地球卫星、宇宙飞船……所有这些都服从牛顿力学的规律．
(2)牛顿力学在如此广阔的领域里与实际相________，显示了________的正确性和牛顿力学的魅力．
像一切科学一样，牛顿力学没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性．它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交响曲”．






2.牛顿力学的局限性
(1)19世纪末和20世纪初，物理学研究深入到________，发现了电子、________、中子等微观粒子，而且发现它们不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用________来说明．
(2)20世纪20年代，________建立了，它能够很好地描述________运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用．
3．牛顿力学与相对论的关系
(1)当物体的运动速度____________于光速c时(c＝3×108 m/s)，相对论物理学与牛顿力学的结论____________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)，________和牛顿力学的结论没有区别．
(3)相对论与量子力学都没有________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．
【思考辨析】
(1)在牛顿力学中，位移的测量与参考系的运动情况无关．( )
(2)牛顿运动定律在物体速度达到几千米每秒时就不再适用了．( )
(3)真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的．( )
(4)在相对论时空观中，运动物体的长度跟物体的运动状态有关．( )
(5)量子力学不能描述微观粒子的运动规律．( )
要点一 时间延缓效应和长度收缩效应
时间延缓效应是不是指时钟走得慢了？长度收缩效应是不是指物体长度变短了？
1．两个效应




2.对“两个效应”的理解
(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．
3．相对性的四个方面
(1)“同时”的相对性：“同时”不是绝对的，而是取决于观察者的运动状态．
(2)长度的相对性：一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度短．
(3)时间间隔的相对性：运动的时钟变慢．
(4)相对论时空观：空间和时间与物体的运动状态有关．
题型一 对长度的相对性的理解
点拨：时间延缓和长度收缩．可以通俗地理解为：运动的钟比静止的钟走得慢，而且运动速度越快，钟走得越慢，接近光速时，钟就几乎停止了；在尺子长度方向上运动的尺子比静止时短，这就是所谓的长度收缩效应，当速度接近光速时，尺子缩成一个点．












【例1】 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，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
题型二 对时间间隔的相对性的理解
【例2】 如图所示，A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上，B、C分别放在以速度vB和vC朝同一方向飞行的两枚火箭上，且vB练1 假设有一名考生用90分钟完成了一场考试，一艘飞船相对此考生以0.5c的速度匀速飞过(c为真空中的光速)，则飞船上的观察者认为此考生考完这场考试所用的时间( )
A．小于90分钟 B．等于90分钟
C．大于90分钟 D．等于45分钟
练2 (多选)A、B两架飞机沿地面上一足球场的长边方向在其上空高速飞过，且vA>vB，对于在飞机上人的观察结果，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
要点二 对牛顿力学、相对论及量子力学的认识
牛顿力学、相对论及量子力学的比较
【例3】 (多选)2017年6月16日，来自中国的“墨子号”量子卫星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
练3 关于牛顿力学的局限性，下列说法正确的是( )
A．牛顿力学适用于宏观低速运动的物体
B．由于牛顿力学局限性，所以一般力学问题都用相对论来解决
C．火车提速后，有关速度问题不能用牛顿力学来处理
D．牛顿力学只适用于像地球和太阳那样大的宏观物体
练4 (多选)关于牛顿力学、相对论与量子力学的说法正确的是( )
A．当物体的速度接近光速时，牛顿力学就不适用了
B．相对论和量子力学的出现，使牛顿力学失去了意义
C．量子力学能够描述微观粒子运动的规律性
D．万有引力定律也适用于强引力场
思考与讨论 (教材P67)已知μ子低速运动时的平均寿命是3.0 μs.当μ子以0.99 c的速度飞行，若选择μ子为参考系，此时μ子的平均寿命是多少？对于地面上的观测者来说，平均寿命又是多少？
提示：根据Δt＝eq \f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(v,c)))2))可知，若选择μ子为参考系，此时μ子的平均寿命是3.0 μs.对于地面上的观测者来说Δt＝eq \f(3,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(0.99c,c)))2))≈21 μs.
1．下列运动中不能用经典力学规律描述的是( )
A．子弹的飞行 B．粒子接近光速的运动
C．人造卫星绕地球运动 D．和谐号从深圳向广州飞驰
2．如图所示，强强乘速度为0.9c(c为真空中的光速)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．1.0c
3．某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行．如果希望把路程缩短为3光年，则他所乘飞船相对地球的速度为( )
A．0.5c B．0.6c
C 0.8c D．0.9c
4.
(多选)如图所示，你站在水平木杆AB的中央附近，并且看到木杆落在地面上时是两端同时着地的，所以，你认为该木杆是平着落到了地面上；若此时飞飞小姐正以接近光速的速度从你前面掠过，她看到B端比A端先落地，因而她认为木杆是向右倾斜着落地的．她的看法是( )
A．正确的
B．错误的
C．她应感觉到木杆在朝她运动
D．她应感觉到木杆在远离她运动
5．(多选)甲乘客乘坐在接近光速的火车上，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长
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短
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长
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短
6．地面上长100 km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30 km/s的速度掠过，则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少？如果火箭的速度达到0.6c，则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少？
eq \x(温馨提示：请完成单元素养评价三)
5．相对论时空观与牛顿力学的局限性
课前自主学习
知识点一
2．惯性系 匀速直线 平权
3．(1)一样的 (2)惯性 相同
4．(1)惯性参考系 同一地点 eq \f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(v,c)))2)) 延缓效应 (2)相对静止 l0eq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(v,c)))2) 收缩效应
知识点二
1．(1)天体 现代交通 导弹 (2)符合 牛顿运动定律
2．(1)微观世界 质子 牛顿力学 (2)量子力学 微观粒子
3．(1)远小 没有 (2)量子力学 (3)否定
思考辨析
答案：(1)√ (2)× (3)√ (4)√ (5)×
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要点一
提示：不是．时间延缓效应和长度收缩效应说明在不同惯性系观测时，测得的结果不同，是相对论时空观的体现，不是时钟真的变慢了或物体长度真的变短了．
【例1】 【解析】 飞船上的观察者相对飞船静止，则他测得的是飞船的静止长度，即为30 m，A项错误；地球上的观测者看到飞船是运动的，根据长度的相对性可知他看到飞船长度比静止时的长度小，B项正确；根据光速不变原理得飞船上的观测者和地球上的观测者观测到的光信号速度均为c，C、D项错误．
【答案】 B
【例2】 【解析】 地面上的观察者认为C时钟走得最慢，因为它相对于观察者的速度最大．根据公式Δt＝eq \f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(v,c)))2))可知，相对于观察者的速度v越大，钟走得越慢，所以C走得最慢．地面上的A时钟相对于观察者的速度为零，A走得最快．
【答案】 C时钟走得最慢，A时钟走得最快
练1 解析：根据Δt＝eq \f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(v,c)))2))可得Δt＝eq \f(90,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(0.5c,c)))2))(分钟)>90(分钟)，C正确．
答案：C
练2 解析：由l＝l0eq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(v,c)))2)(其中l0是相对足球场静止时测得的长度)，可以看出，速度越大，“动尺变短”的效应越明显，选项B正确；但是足球场的短边与飞机速度方向垂直，所以两飞机上的人观察到足球场的宽度相同．
答案：BD
要点二
【例3】 【解析】 牛顿力学可以用来描述物体的宏观低速运动，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．
【答案】 AC
练3 解析：牛顿运动定律属于牛顿力学的研究范畴，适用于宏观低速运动的物体，并注意到低速和高速的标准是相对于光速而言的，可判定牛顿运动定律适用于B、C、D中描述的运动，而A中情况不适用．
答案：A
练4 解析：牛顿力学只适用于低速宏观的物体，故A正确；相对论和量子力学的出现，并没有否定牛顿力学，只是说牛顿力学有一定的适用范围，故B错误；量子力学描述了微观粒子运动的规律性，故C正确；万有引力定律只适用于较弱的引力场，而对于如白矮星、中子星的强引力场是不适用的，故D错误．
答案：AC
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1．解析：子弹的飞行、火车的运动及人造卫星绕地球的运动，都属于宏观低速，经典力学能适用，而粒子接近光速的运动，不能适用于经典力学．故选B.
答案：B
2．解析：根据爱因斯坦的相对论，在一切惯性系中，光在真空中的传播速度都等于c，故选项D正确．
答案：D
3．解析：由l＝l0eq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(v,c)))2)得，3＝5eq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(v,c)))2)，解得v＝0.8c，故C正确．
答案：C
4．解析：当飞飞小姐掠过木杆时，在她看来，木杆不仅在下落，而且还在朝她运动．因此，在你看来同时发生的两个事件，在飞飞小姐看来首先在B端发生．因为运动是相对的，对运动的描述取决于选择的参考系．对于你来说木杆是平着下落的，对飞飞小姐来说木杆是向右倾斜着下落的，虽然难以置信，但你和她都是正确的．
答案：AC
5．解析：在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短，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的长度小，故A错误，B正确；甲手中的尺子相对于乙接近光速运动，所以乙看到甲手中的尺子的长度比乙看到自己手中的尺子的长度小，故C错误，D正确．故选B、D.
答案：BD
6．解析：当火箭速度较低时，长度基本不变，还是100 km.当火箭的速度达到0.6c时，由相对论长度公式l＝l0eq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(v,c)))2)代入相应的数据解得：l＝100×eq \r(1－0.62) km＝80 km.
答案：100 km 80 km
项目
内容
狭义相对性原理
在不同的________参考系中，物理规律的形式都是相同的
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________的
与物体相对静止的
参考系中观察
与物体相对运动的
参考系中观察
时间延缓
效应
两个事件发生的时间间隔为Δτ
两事件发生的时间间隔变大Δt＝eq \f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(v,c)))2))
长度收缩
效应
杆的长度为l0
若参考系沿杆的方向运动，观察到的杆的长度减小l＝l0eq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(v,c)))2)
牛顿
力学
自然界中宏观、低速物体的运动，都服从牛顿力学的规律
相对论
空间、时间、质量与运动相联系；阐述了物体在以接近光速运动时所遵循的规律
量子力学
微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性；正确描述微观粒子的运动规律