高中物理人教版 (2019)必修 第二册第七章 万有引力与宇宙航行5 相对论时空观与牛顿力学的局限性达标测试

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第二册第七章 万有引力与宇宙航行5 相对论时空观与牛顿力学的局限性达标测试，共14页。

一、相对论时空观
1．绝对时空观：时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的，也叫牛顿力学时空观。
2．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相同的；
(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。
3．时间延缓效应：。
4．长度收缩效应：。
5．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)都跟物体的运动状态有关。
牛顿力学的成就与局限性
1．牛顿力学的成就：从地面上物体的运动到天体的运动，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、飞机等现代交通工具的运动，从投出篮球到发射导弹、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．牛顿力学的局限性：牛顿力学对于高速运动的物体和电子、质子、中子等微观粒子是不适用的。
3．量子力学的建立能够很好地描述微观运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用。
4．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。
【方法突破】
一、相对论时空观
■方法归纳
牛顿力学时空观与相对论时空观比较
【例1】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
【针对训练1】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
D．在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c
二、牛顿力学的成就与局限性
■方法归纳
1．牛顿力学的成就
牛顿力学的基础是牛顿运动定律，在低速、宏观、弱引力的广阔领域，牛顿力学取得了巨大的成就。牛顿力学又称为经典力学。
2．牛顿力学的局限性
20世纪20年代，建立了量子力学，它能够很好地描述微观粒子运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用；爱因斯坦的广义相对论表明，在强引力的作用下，牛顿的引力理论将不再适用；相对论和量子力学都没有否定牛顿力学，而是认为牛顿力学是相对论在低速情况下的近似。
【例2】关于牛顿力学，下列说法正确的是（ ）
A．牛顿力学适用于宏观低速运动
B．牛顿力学取得了巨大成就，是普遍适用的
C．牛顿力学没有任何缺点
D．由于相对论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值
【针对训练2】下列关于经典力学的说法正确的是（ ）
A．经典力学适用于宏观、低速（远小于光速）运动的物体
B．经典力学适用于微观、高速（接近光速）运动的粒子
C．相对论和量子力学的出现，表明经典力学已被完全否定了
D．经典力学在理论和实践上取得了巨大的成功，从地面到天体的运动都服从经典力学的规律，因此任何情况下都适用
【巩固提升】
1．关于牛顿力学、相对论和量子力学，下列说法中正确的是（ ）
A．相对论和牛顿力学是相互对立、互不相容的两种理论
B．在物体高速运动时，相对论适用于物体的运动规律；在物体低速运动时，牛顿运动定律适用于物体的运动规律
C．牛顿力学适用于宏观物体的运动，也适用于微观粒子的运动
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
2．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
3．对相对论的理解正确的是（ ）
A．在不同惯性系中，物理规律的形式可能是不同的
B．在不同惯性系中，光在真空中任何方向的传播速度均相同
C．相对论时空观认为运动物体的长度与物体的运动状态无关
D．相对论时空观认为物理过程的快慢与物体的运动状态有关
4．按照相对论的时空观，下列说法正确的是（ ）
A．时间和空间都是独立于物体及其运动而存在的
B．在不同的惯性参考系中，光的传播速度都是相同的
C．运动物体的长度跟物体的运动快慢无关
D．在高速运动的飞机上，原子钟的计时会变快
5．2021年10月16日，神舟十三号载人飞船与天和核心舱采用自主快速径向交会对接模式成功对接，与此前已对接的天舟二号、天舟三号货运飞船一起构成四舱（船）组合体。翟志刚、王亚平、叶光富三名航天员从神舟十三号载人飞船进入天和核心舱，将在轨飞行6个月，据王亚平介绍，航天员在核心舱内每天能看到16次日出。已知地球半径为6400km，地球表面的重力加速度为10m/s2，下列说法正确的是（ ）
A．核心舱的运行速度大于第二宇宙速度
B．核心舱的离地高度比同步卫星高
C．核心舱的向心加速度大于赤道上的物体随地球自转的向心加速度
D．根据狭义相对论，在轨飞行的过程中，航天员的手表变快了
6．如图所示，一同学在教室上课，教室的长度为9m，教室中间位置有一光源。有一飞行器从前向后高速通过教室外侧，已知光速为c、飞行器中的飞行员认为（ ）
A．教室中的时钟变快
B．教室的长度大于9m
C．从光源发出的光先到达教室后壁
D．光源发出的光，向后的速度小于c
7．若一列火车以接近光速的速度在高速行驶，车上的人用望远镜来观察地面上的一只排球，其观察的结果是（ ）
A．像一只乒乓球（体积变小）B．像一只篮球（体积变大）
C．像一只橄榄球（竖直放置）D．像一只橄榄球（水平放置）
8．如图所示，位于教室中央的光源发出一个闪光，闪光照到了教室的前壁和后壁。教室的长度为10m。 在平行于教室高速运动的太空飞船上的观察者（ ）
A．测得照到前壁的光速度小于cB．观测到飞船上的时间进程比教室快
C．测得教室的长度大于10mD．观察到光先到达后壁
9．如图所示，两艘飞船A，B沿同一直线同向飞行，相对地面的速度均为（接近光速）。地面上测得它们相距为，根据相对论时空观，则A测得两飞船间的距离（ ）
A．大于B．等于C．小于D．与无关
10．如下图所示，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．
比较项目
牛顿力学时空观
相对论时空观
同时
绝对性
相对性
长度
绝对性
相对性
光速
可变(遵循经典速度变换规律)
不变
物理规律
－
在不同惯性参考系中其形式相同
研究方法
的代表
伽利略的“自然数学法”和牛顿的“归纳演绎法”推动了物理、数学和哲学的发展
主要成就
天体力学、材料力学和结构力学等得到了广泛的应用
18世纪60年代，力学和热力学的发展及应用，引发了第一次工业革命
动量守恒定律、机械能守恒定律等是航空航天技术的理论基础
第5节 相对论时空观与牛顿力学的局限性
【知识梳理】
一、相对论时空观
1．绝对时空观：时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的，也叫牛顿力学时空观。
2．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相同的；
(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。
3．时间延缓效应：。
4．长度收缩效应：。
5．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)都跟物体的运动状态有关。
牛顿力学的成就与局限性
1．牛顿力学的成就：从地面上物体的运动到天体的运动，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、飞机等现代交通工具的运动，从投出篮球到发射导弹、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．牛顿力学的局限性：牛顿力学对于高速运动的物体和电子、质子、中子等微观粒子是不适用的。
3．量子力学的建立能够很好地描述微观运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用。
4．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。
【方法突破】
一、相对论时空观
■方法归纳
牛顿力学时空观与相对论时空观比较
【例1】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
【答案】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。
【针对训练1】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
D．在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c
【答案】D
【详解】根据狭义相对论的两个基本假设之一：光速不变原理可知，即光在真空中沿任何方向传播速度都是c，则观察者在地面上和在飞船中观测光的速度均为c。
故选D。
二、牛顿力学的成就与局限性
■方法归纳
1．牛顿力学的成就
牛顿力学的基础是牛顿运动定律，在低速、宏观、弱引力的广阔领域，牛顿力学取得了巨大的成就。牛顿力学又称为经典力学。
2．牛顿力学的局限性
20世纪20年代，建立了量子力学，它能够很好地描述微观粒子运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用；爱因斯坦的广义相对论表明，在强引力的作用下，牛顿的引力理论将不再适用；相对论和量子力学都没有否定牛顿力学，而是认为牛顿力学是相对论在低速情况下的近似。
【例2】关于牛顿力学，下列说法正确的是（ ）
A．牛顿力学适用于宏观低速运动
B．牛顿力学取得了巨大成就，是普遍适用的
C．牛顿力学没有任何缺点
D．由于相对论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值
【答案】A
【详解】ABC．牛顿力学只适用于宏观物体、低速运动问题，不适用于高速运动（相对于光速）的问题，具有一定的局限性，故A正确，BC错误；
D．在微观高速情况下，要用量子力学和相对论来解释，但是并不会因为相对论和量子力学的出现，就否定了经典力学，经典力学仍然是正确的，故不会过时也不会失去价值，故D错误。
故选A。
【针对训练2】下列关于经典力学的说法正确的是（ ）
A．经典力学适用于宏观、低速（远小于光速）运动的物体
B．经典力学适用于微观、高速（接近光速）运动的粒子
C．相对论和量子力学的出现，表明经典力学已被完全否定了
D．经典力学在理论和实践上取得了巨大的成功，从地面到天体的运动都服从经典力学的规律，因此任何情况下都适用
【答案】A
【详解】AB．经典力学是狭义相对论在低速（）条件下的近似，即只要速度远远小于光速，经过数学变换狭义相对论的公式就全部变化为牛顿经典力学的公式，故A正确，B错误；
C．相对论与量子力学并没有否定经典力学，而是在其基础上发展起来的，有各自成立范围。故C错误；
D．经典力学仅是它在低速、宏观、弱引力时的适用，故D错误。
故选A。
【巩固提升】
1．关于牛顿力学、相对论和量子力学，下列说法中正确的是（ ）
A．相对论和牛顿力学是相互对立、互不相容的两种理论
B．在物体高速运动时，相对论适用于物体的运动规律；在物体低速运动时，牛顿运动定律适用于物体的运动规律
C．牛顿力学适用于宏观物体的运动，也适用于微观粒子的运动
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
【答案】B
【详解】A．经典力学是狭义相对论在低速条件下的近似，即只要速度远远小于光速，经过数学变换狭义相对论的公式就全部变化为牛顿经典力学的公式，故A错误；
B．在物体高速运动时，物体的运动规律服从狭义相对论理论，在低速运动时，物体的运动规律服从牛顿运动定律，故B正确；
CD．牛顿经典力学只适用于宏观低速物体，而微观、高速运动的物体服从狭义相对论，故CD错误。
故选B。
2．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
【答案】ACD
【详解】ABD．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，选项AD正确B错误；
C．A和B两个参考系中，一切力学规律都是相同的，选项C正确。
故选ACD。
3．对相对论的理解正确的是（ ）
A．在不同惯性系中，物理规律的形式可能是不同的
B．在不同惯性系中，光在真空中任何方向的传播速度均相同
C．相对论时空观认为运动物体的长度与物体的运动状态无关
D．相对论时空观认为物理过程的快慢与物体的运动状态有关
【答案】BD
【详解】AB．根据相对论的两条假说，在不同的惯性系中，物理规律的形式都是相同的，在不同惯性系中，光在真空中任何方向的传播速度都相等，A错误，B正确；
CD．根据相对论时空观可知运动物体的长度以及物理过程的快慢都与物体的运动状态有关，C错误，D正确。
故选BD。
4．按照相对论的时空观，下列说法正确的是（ ）
A．时间和空间都是独立于物体及其运动而存在的
B．在不同的惯性参考系中，光的传播速度都是相同的
C．运动物体的长度跟物体的运动快慢无关
D．在高速运动的飞机上，原子钟的计时会变快
【答案】B
【详解】A．相对论的时空观认为时间和空间与物体及其运动都有关系，故A错误；
B．相对论的时空观认为在不同的惯性参考系中，光的传播速度都是相同的，故B正确；
C．相对论的时空观认为运动物体的长度跟物体的运动快慢有关，故C错误；
D．相对论的时空观认为在高速运动的飞机上，原子钟的计时会变慢，故D错误。
故选B。
5．2021年10月16日，神舟十三号载人飞船与天和核心舱采用自主快速径向交会对接模式成功对接，与此前已对接的天舟二号、天舟三号货运飞船一起构成四舱（船）组合体。翟志刚、王亚平、叶光富三名航天员从神舟十三号载人飞船进入天和核心舱，将在轨飞行6个月，据王亚平介绍，航天员在核心舱内每天能看到16次日出。已知地球半径为6400km，地球表面的重力加速度为10m/s2，下列说法正确的是（ ）
A．核心舱的运行速度大于第二宇宙速度
B．核心舱的离地高度比同步卫星高
C．核心舱的向心加速度大于赤道上的物体随地球自转的向心加速度
D．根据狭义相对论，在轨飞行的过程中，航天员的手表变快了
【答案】C
【详解】A．核心舱的运行速度应小于第一宇宙速度，第二宇宙速度是脱离地球的速度，故A错误；
B．核心舱的周期而同步卫星的周期为24h；根据万有引力提供向心力
解得可知周期越大，轨道半径越高，所以核心舱的离地高度比同步卫星低，故B错误；
C．根据万有引力提供向心力解得所以核心舱的向心加速度大于地球同步卫星的向心加速度，根据a=ω2r可知地球同步卫星的向心加速度大于赤道上的物体随地球自转的向心加速度，所以核心舱的向心加速度大于赤道上的物体随地球自转的向心加速度，故C正确；
D．根据狭义相对论可知，在轨飞行的过程中，航天员的手表变慢了，故D错误。
故选C。
6．如图所示，一同学在教室上课，教室的长度为9m，教室中间位置有一光源。有一飞行器从前向后高速通过教室外侧，已知光速为c、飞行器中的飞行员认为（ ）
A．教室中的时钟变快
B．教室的长度大于9m
C．从光源发出的光先到达教室后壁
D．光源发出的光，向后的速度小于c
【答案】C
【详解】AB．根据爱因斯坦的相对论，可知飞行器中的飞行员认为看到教室中的时钟变慢，教室的长度变短，即长度小于9m，选项AB错误；
C．教室中的人认为，光向前向后传播的速度相等，光源在教室中央，光同时到达前后两壁．飞行器中的飞行员是一个惯性系，光向前向后传播的速度相等，向后壁传播的路程短些，到达后壁的时刻早些，选项C正确。
D．根据光速不变原理，不论光源与观察者之间做怎样的相对运动，光速都是一样的，选项D错误；
故选C。
7．若一列火车以接近光速的速度在高速行驶，车上的人用望远镜来观察地面上的一只排球，其观察的结果是（ ）
A．像一只乒乓球（体积变小）B．像一只篮球（体积变大）
C．像一只橄榄球（竖直放置）D．像一只橄榄球（水平放置）
【答案】C
【详解】根据狭义相对论，以观察者为参照系，则排球以接近光速的速度反向运动，由长度收缩效应可知，观察者测得排球水平宽度变短，竖直长度不变，因此观察的结果是像一只竖直放置的橄榄球。
故选C。
8．如图所示，位于教室中央的光源发出一个闪光，闪光照到了教室的前壁和后壁。教室的长度为10m。 在平行于教室高速运动的太空飞船上的观察者（ ）
A．测得照到前壁的光速度小于cB．观测到飞船上的时间进程比教室快
C．测得教室的长度大于10mD．观察到光先到达后壁
【答案】B
【详解】AD．根据光速不变原理，测得照到前壁的光速等于c，观察到光同时到达前壁和后壁，A错误；
C．根据相对论原理，测得教室的长度小于10m，C错误；
B．根据相对论原理，观测到飞船上的时间进程比教室快，B正确。
故选B。
9．如图所示，两艘飞船A，B沿同一直线同向飞行，相对地面的速度均为（接近光速）。地面上测得它们相距为，根据相对论时空观，则A测得两飞船间的距离（ ）
A．大于B．等于C．小于D．与无关
【答案】A
【详解】根据，L0为在相对静止参考系中的长度，L为在相对运动参考系中的长度，地面上测得它们相距为L，是以高速飞船为参考系，而A测得的长度为以静止参考系的长度，大于L。
故选A。
10．如下图所示，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．
【答案】D
【详解】根据相对论效应可知，沿x轴方向正方形边长缩短，沿y轴方向正方形边长不变。
故选D。
比较项目
牛顿力学时空观
相对论时空观
同时
绝对性
相对性
长度
绝对性
相对性
光速
可变(遵循经典速度变换规律)
不变
物理规律
－
在不同惯性参考系中其形式相同
研究方法
的代表
伽利略的“自然数学法”和牛顿的“归纳演绎法”推动了物理、数学和哲学的发展
主要成就
天体力学、材料力学和结构力学等得到了广泛的应用
18世纪60年代，力学和热力学的发展及应用，引发了第一次工业革命
动量守恒定律、机械能守恒定律等是航空航天技术的理论基础