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练习题

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练习题，共10页。试卷主要包含了单选题，多选题，填空题，解答题等内容，欢迎下载使用。
7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性同步练习学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________ 一、单选题1．下列不是相对论的内容的是（　　）A．时间的相对性B．尺缩效应C．时钟变慢D．质量不变，因为它是物体的固有属性，与运动状态无关2．下列说法正确的是（　　）A．以牛顿运动定律为基础的经典力学没有存在的价值B．物理学的发展，使人们认识到经典力学有它的适用范围C．相对论和量子力学的出现是对经典力学的否定D．经典力学对处理高速运动的微观物体具有相当高的正确性3．在日常生活中，我们并没有发现物体的长度随着物体运动速度的变化而变化，其原因是（　　）A．运动中物体无法测量长度B．物体的速度远小于光速，长度变化极小C．物体的长度太长D．物体的长度不随速度的变化而变化4．下列说法中正确的是（　　）A．在高速运动的火车车厢中央，光源同时向车厢前后两壁发出了一个闪光，地面上的人看到闪光同时到车厢的前后壁B．在任何惯性参考系中，物体的运动速度都不能超过光速C．一条沿自身长度方向高速运动的杆，其长度总比杆静止时的长度大D．同样的两个事件，在不同的参考系中观测，时间间隔都相同5．有两个惯性参考系1和2，相向做匀速直线运动，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6．下列情境中，经典力学不适用的是（　　）A．研究地球绕太阳的运动 B．轮船在大海上航行C．宇宙粒子以接近光速运动 D．研究飞机从北京飞往纽约的航线7．如果航天员以接近于光速的速度朝某一星体飞行，如图所示。下列说法正确的是（　　）A．航天员根据自己的质量在增加发觉自己在运动B．航天员根据自己的心脏跳动在慢下来发觉自己在运动C．航天员根据自己在变小发觉自己在运动D．航天员永远不能由自身的变化知道自己的速度8．2021年2月，“天问一号”探测器成功被火星捕获，成为我国第一颗人造火星卫星，实现“绕、着、巡”目标的第一步。如图，为“天问一号”被火星捕获的简易图，其中1为椭圆轨道，2为圆轨道。则下列说法正确的是（　　）A．“天问一号”在轨道2运行的周期大于在轨道1运行的周期B．“天问一号”沿轨道1运行时在P点的加速度小于在Q点的加速度C．“天问一号”由轨道1进入轨道2，在Q点的喷气方向与速度方向相反D．“天问一号”在轨道1由Q点向P点运动的过程中，机械能逐渐增大9．如图所示为“天问一号”探测器经过多次变轨后登陆火星的轨迹示意图，其中轨道Ⅰ、Ⅲ为椭圆，轨道Ⅱ为圆。探测器经轨道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ运动后在Q点登陆火星，O点是轨道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的切点，O、Q还分别是椭圆轨道Ⅲ的远火星点和近火星点。关于探测器，下列说法正确的是（　　）A．由轨道Ⅰ进入轨道Ⅱ需在O点加速B．在轨道Ⅱ的运行周期小于沿轨道Ⅲ的运行周期C．在轨道Ⅱ运行的线速度大于火星的第一宇宙速度D．在轨道Ⅲ上，探测器运行到O点的线速度小于Q点的线速度10．500米口径的中国天眼（FAST）是世界上已建成的最大的射电望远镜，可监测脉冲星，探测引力波的存在。而引力波是实验验证爱因斯坦相对论的最后一块“拼图”。关于牛顿力学、相对论和量子力学，下列说法正确的是 （　　）A．牛顿力学适用于研究宏观物体的低速运动B．由于相对论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值C．高速运动的μ子寿命变长这一现象，既能用相对论时空观解释，又能用经典理论解释D．不论是宏观物体，还是微观粒子，牛顿力学和量子力学都是适用的11．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方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上的观测者测得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12．宇宙中两颗相距较近的天体称为“双星”，它们以二者连线上的某一点为圆心做匀速圆周运动，而不至因为万有引力的作用而吸引到一起。如图所示，某双星系统中A、B两颗天体绕O点做匀速圆周运动，它们的轨道半径之比r∶r＝1∶2，则两颗天体的（　　）A．质量之比m∶m＝2∶1 B．角速度之比ω∶ω＝1∶2C．线速度大小之比v∶v＝2∶1 D．向心力大小之比F∶F＝2∶1 二、多选题13．联系相对论时空观，判断下列有关质量和长度说法中正确的是（　　）A．物体的质量与运动状态无关B．物体的质量与运动状态有关，只是在速度较低的情况下，变化忽略不计C．物体的长度与运动状态无关D．物体的长度与运动状态有关，只是在速度较低的情况下，变化忽略不计14．关于牛顿力学理论，下列说法正确的是（　　）A．牛顿力学是物理学和天文学的基础，也是现代工程技术的理论基础B．牛顿力学的理论体系是经过几代科学家长期的探索，历经曲折才建立起来的C．牛顿力学具有丰富的理论成果，也建立了验证科学的方法体系D．当物体运动速度很大（v→c）时，牛顿力学理论所得的结果与实验结果相符合15．一枚火箭静止于地面时长为30m，两个完全相同的时钟分别放在火箭内和地面上。火箭以速度v飞行，光速为c，下列判断正确的是 （　　）A．若v=0.5c，则火箭上的观察者测得火箭的长度仍为30mB．若v=0.5c，则地面上的观察者测得火箭的长度仍为30mC．若v=0.5c，则火箭上的观察者认为地面上的时钟走得快D．若v=0.5c，则地面上的观察者认为火箭上的时钟走得慢 三、填空题16．来自太阳和宇宙深处的高能粒子流，与高层大气作用产生一种叫作μ子的次级宇宙射线，μ子低速运动时的寿命只有3.0 μs，按常理，μ子不可能穿过高度大于100 km的大气层到达地面，但实际上在地面上可以观测到许多μ子。则根据相对论可以确定：在地球上测量向地球高速飞行的该粒子的平均寿命___________（选填“大于”“等于”或“小于”）3.0 μs。如果观察者和μ子一起以接近光速的速度飞向地面，观察者认为大气层厚度___________（选填“大于”“等于”或“小于”） 100 km；如果观察者和μ子一起以0.99c的速度飞向地面，观察者观察同方向向地球照射的太阳光的光速___________（选填“大于”“等于”或“小于”）c。17．牛顿力学的成就与局限性（1）牛顿力学的成就：牛顿力学的基础是____，______定律的建立与应用更是确立了人们对牛顿力学的尊敬。（2）牛顿力学局限性：牛顿力学的适用范围是_____（填“高速”或“低速”）运动的_____（填“宏观”或“微观”）物体。a.当物体以接近光速运动时，有些规律与牛顿力学的结论_____。b.电子、质子、中子等微观粒子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____被新的科学成就所否定，当物体的运动速度______时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别。 四、解答题18．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?19．测量光速可以有不同的方法，比如在月球上放置一个反射镜，在地球上向月球发射一束激光，反射回地面后通过激光的往返时间来计算光速，图所示为法国物理学家菲索利用旋转齿轮法来测量光速的装置，当齿轮静止时，光束穿过齿缝经平面镜反射后能被观察者看到；当齿轮旋转时，如果反射光返回时正好碰到齿轮，观察者就看不到光，如果反射光返回时正好转到下一个齿缝，观察者就能看到光，设此时反射镜到齿轮的距离为L，齿轮转速为，齿轮的齿数为，要想测出光速，L需要多长？如何增加这个长度？
参考答案：1．D【详解】ABC．根据相对论，有运动延迟效应和长度缩短效应，故在地面附近有一高速飞过的火箭，地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变慢了，故ABC正确；D．根据狭义相对论公式可知，物体的质量与运动的速度有关，故D错误。本题选择不是相对论的内容的，故选D。2．B【详解】ABC．牛顿运动定律能够解决宏观物体的低速运动问题，在生产、生活及科技方面起着重要作用；解决问题时虽然有一定误差，但误差极其微小，可以忽略不计；故经典力学仍可在一定范围内适用。虽然相对论和量子力学更加深入科学地认识自然规律，它是科学的进步，但并不表示对经典力学的否定，故B正确，AC错误；D．经典力学不能用于处理高速运行的微观物体，故D错误。故选B。3．B【详解】日常生活中常见物体的速度（光除外）都很小，通常远小于光速c，故由可知，当时，。故选B。4．B【详解】A．根据同时的相对性，火车上的人会看到两个闪光同时到达车厢的前后壁，而地面上的人会看到闪光先到达车厢的后壁（相对火车运动方向而言），后到达前壁，A错误；B．根据爱因斯坦的相对论可知，在任何惯性参考系中，任何物体的运动速度都不能超过光速，B正确；C．考虑相对论效应，根据长度与速度关系公式沿自身长度方向高速运动的杆长度总比静止时的长度短，C错误；D．由相对论的基本公式可知时间间隔与参考系有关，D错误。故选B。5．D【详解】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为观察的参考系中经历的时间，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可知，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。6．C【详解】经典力学的适用范围：（1）低速运动的物体（与光速相比速度较低）；（2）宏观物体；（3）为惯性参考系；故经典力学不适用的是宇宙粒子以接近光速飞行；A．研究地球绕太阳的运动时，适用于经典力学，选项A不符合题意；B．轮船在大海上航行，适用于经典力学，选项B不符合题意；C．宇宙粒子以接近光速运动，不适用于经典力学，选项C符合题意；D．研究飞机从北京飞往纽约的航线，适用于经典力学，选项D不符合题意；故选C。7．D【详解】根据狭义相对论知识可知，航天员以飞船为惯性系，其相对于惯性系的速度始终为零，因此他不可发现自身变化，也不能由自身变化知道他的速度。故选D。8．B【详解】A．由开普勒第三定律＝可知，由于轨道1的半长轴大于轨道2的半径，所以“天问一号”在轨道2运行的周期小于在轨道1运行的周期，A错误；B．由G＝ma得a＝G“天问一号”在P点的加速度小于在Q点的加速度，B正确；C．“天问一号”由轨道1进入轨道2，“天问一号”做向心运动，因此在Q点制动减速，则在Q点的喷气方向应与速度方向相同，C错误；D．“天问一号”在轨道1由Q点向P点运动的过程中，只有万有引力做功，“天问一号”的机械能守恒，D错误。故选B。9．D【详解】A．由轨道Ⅰ进入轨道Ⅱ需在O点减速，由高轨道进入低轨道需要点火减速，故A错误；B．根据开普勒第三定律知 可知，轨道半径或半长轴越大，周期越大，所以在轨道Ⅱ的运行周期大于沿轨道Ⅲ的运行周期，故B错误；C．因为火星的第一宇宙速度是指绕火星表面运行时的线速度，即最大绕行速度，则在轨道Ⅱ运行的线速度小于火星的第一宇宙速度，故C错误；D．根据开普勒第二定律可知，在近地点的线速度大于远地点的线速度，所以在轨道Ⅲ上，探测器运行到O点的线速度小于Q点的线速度，故D正确。故选D。10．A【详解】A．牛顿力学适用于研究宏观物体的低速运动，A正确；B．在微观高速领域，要用量子力学和相对论理论来解释，但是并不会因为相对论和量子力学的出现，就否定了牛顿力学，牛顿力学作为某些条件下的特殊情形，被包括在新的科学成就之中，不会过时，不会失去价值，B错误；C．高速运动的μ子寿命变长这一现象，属于微观高速运动，只能用相对论时空观解释，不能用经典理论解释，C错误；D．宏观低速物体牛顿力学适用，微观粒子量子力学适用，D错误。故选A。11．C【详解】列车上的观察者看到的是由B出发后经过A和C反射的光，由于列车在这段时间内向C运动靠近C，而远离A，所以C的反射光先到达列车上的观察者，看到C先被照亮。故选C。12．A【详解】ABD．双星绕连线上的一点做匀速圆周运动，其角速度相同，周期相同，两者之间的万有引力提供向心力，有F＝mAω2rA＝mBω2rB所以mA∶mB＝2∶1BD错误，A正确；C．由v＝ωr可知，线速度大小之比vA∶vB＝1∶2C错误。故选A。13．BD【详解】根据相对论时空观，物体的质量随速度增大而增大，只是在速度较低的情况下，变化忽略不计；物体沿运动方向的长度随速度增大而减小，只是在速度较低的情况下，变化忽略不计。故选BD。14．ABC【详解】A．牛顿力学是物理学和天文学的基础，也是现代工程技术的理论基础，A正确；B．牛顿力学的理论体系是经过几代科学家长期的探索，历经曲折才建立起来的，B正确；C．牛顿力学具有丰富的理论成果，也建立了验证科学的方法体系，C正确；D．当物体运动速度很大（v→c）时，牛顿力学理论所得的结果与实验结果之间出现了较大的偏差，D错误。故选ABC。15．AD【详解】A．一枚静止时长为30m的火箭以0.5c的速度飞行，根据相对论时空观可知，火箭上的观察者测得火箭的长度为30m，选项A正确；B．根据长度收缩效应知地面上的观察者测得火箭的长度为L=26m选项B错误；CD．根据时间延缓效应，运动的钟比静止的钟走得慢，而且运动速度越大，钟走得越慢，同时运动是相对的，火箭相对于地面上的人是运动的，地面上的人相对于火箭也是运动的，所以若v=0.5c，则火箭上的观察者认为地面上的时钟走得慢，同时地面上的观察者认为火箭上的时钟走得慢，选项C错误，D正确。故选AD。16．     大于     小于     等于【详解】[1]μ子低速运动时的寿命只有3.0 μs，根据时间延缓效应知，在地球上测量向地球高速飞行的该粒子的平均寿命大于3.0 μs。[2]根据长度收缩效应得，如果观察者和μ子一起以接近光速的速度飞向地面，观察者认为大气层厚度小于100 km。[3]根据光速不变原理得，如果观察者和μ子一起以0.99c的速度飞向地面，观察者观察同方向向地球照射的太阳光的光速等于c。17．     牛顿运动定律     万有引力     低速     宏观     不相同     不会     远小于光速c【详解】略18．（1）2.25×10-7 s；（2）3.75×10-7 s【详解】（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）设宇航员测得飞船船身通过观测站的时间间隔为Δt'Δt'==3.75×10-7 s19．见解析【详解】根据齿轮的转速，可得齿轮的转动周期为由于齿轮数，所以每转动一齿的时间为根据题意可知，反射光返回时正好转到下一个齿缝，观察者就能看到光，则当光从齿缝正中央穿过，经镜面反射回来，反射光束恰好通过相邻的另一个齿缝的正中央，所以由可得所以有代入数据解得由可知，要增加这个长度，可以通过减小转速和齿轮的齿数的方法。