高中物理教科版 (2019)必修 第二册2 相对论时空观简介优秀习题

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5.2相对论时空观简介同步练习教科版（   2019）高中物理必修第二册

学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________

注意：本试卷包含Ⅰ、Ⅱ两卷。第Ⅰ卷为选择题，所有答案必须用2B铅笔涂在答题卡中相应的位置。第Ⅱ卷为非选择题，所有答案必须填在答题卷的相应位置。答案写在试卷上均无效，不予记分。

第I卷（选择题）

一、单选题（本大题共10小题，共40.0分）

1. 下列说法正确的是

A. 牛顿定律适合于解决宏观、低速的物体运动问题
B. 在真空中相对于不同的惯性参考系光速是不同的
C. 在高速运动的列车中的钟表比静止在地面上的钟表走的快
D. 在地面观察高速行进的列车时，测其长度会比它静止时的长度大

2. 以下说法正确的是：

A. 牛顿力学认为时间和空间会随物体的运动改变。
B. 相对论认为高速运动的物体，运动时间和长度会有减小的效应。
C. 麦克斯韦根据电磁场理论预言了电磁波的存在，并证明了速度等于光速。
D. 相对论和量子力学是一种新的理论，是与牛顿力学对立的理论。

3. 下列关于经典力学的说法中正确的是

A. 经典力学的思想方法只在物理学与天文学产生了影响
B. 经典力学只适用于宏观、低速、弱引力场
C. 经典力学只适用于微观、低速、弱引力场
D. 经典力学只适用于宏观、高速、强引力场

4. 引力波是实验验证爱因斯坦相对论的最后一块缺失的“拼图”，相对论在一定范围内弥补了牛顿力学的局限性．关于相对论和牛顿力学，下列说法正确的是

A. 牛顿力学时空观认为空间和时间是独立于物体及其运动而存在的
B. 当物体的运动速度远小于光速时，相对论和牛顿力学的结论仍有很大的区别
C. 杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，这是相对论的观点
D. 只有在惯性参考系中，光在真空中的速度才都等于，与光源的运动无关

5. 下列说法正确的是

A. 由于相对论、量子论的提出，经典力学已经失去了它的意义
B. 经典力学在今天广泛应用，它的正确性无可怀疑，仍可普遍适用
C. 在经典力学中，物体的质量随运动状态而改变
D. 狭义相对论认为，质量、长度、时间的测量结果都与物体运动状态有关

6. 假设有一名考生用分钟完成了一场考试，一艘飞船相对此考生以的速度匀速飞过为真空中的光速，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. 小于分钟 B. 等于分钟 C. 大于分钟 D. 等于分钟

7. 按照相对论理论，下列说法中错误的是

A. 一条杆的长度静止时为，不管杆如何运动，杆的长度均小于
B. 一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，这是经典物理学家的观点
C. 一个物体运动时的质量比静止时的质量要大
D. 如果两条平行的杆在沿自己的长度方向上做相对运动，与它们一起运动的两位观察者都会认为对方的杆缩短了

8. 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

9. 下列说法不正确的是

A. 经典时空观认为空间和时间是独立于物体及其运动而存在的
B. 相对论时空观认为物体的长度和质量会随着物体的速度不同而不同
C. 经典力学只适用于宏观物体、低速运动问题，不适用于高速运动的问题
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

10. 太阳内部核反应的主要模式之一是质子质子循环，循环的结果可表示为
    ；已知和的质量分别为和，，为光速．在个转变成个的过程中，释放的能量约为

A.  B.  C.  D.

二、多选题（本大题共4小题，共16.0分）

11. 下列说法正确的是：

A. 入射光照到黑体表面将会被全部吸收，但黑体也会向外辐射
B. 雷达是利用超声波来测定物体位置的设备
C. 相对论认为空间和时间与物质的运动状态有关
D. 爱因斯坦提出的质能方程中的是发生核反应中释放的核能

12. 太阳辐射的总功率约为，其辐射的能量来自聚变反应。在聚变反应中，一个质量为为真空中的光速的氘核和一个质量为的氚核结合为一个质量为的氦核，并放出一个粒子，同时释放大约的能量。下列说法正确的是  

A. 粒子是质子
B. 粒子的质量为
C. 太阳每秒因为辐射损失的质量约为
D. 太阳每秒因为辐射损失的质量约为

13. 接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相同的铯原子钟，飞船和地球上的人观测这两只钟的快慢，下列说法正确的有___________。

A. 飞船上的人观测到飞船上的钟较快
B. 飞船上的人观测到飞船上的钟较慢
C. 地球上的人观测到地球上的钟较快
D. 地球上的人观测到地球上的钟较慢

14. 接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相同的铯原子钟，飞船和地球上的人观测这两只钟的快慢，下列说法正确的有

A. 飞船上的人观测到飞船上的钟较快
B. 飞船上的人观测到飞船上的钟较慢
C. 地球上的人观测到地球上的钟较快
D. 地球上的人观测到地球上的钟较慢

第II卷（非选择题）

三、计算题（本大题共3小题，共30.0分）

15. 年，在用乳胶研究高空宇宙射线时，发现了一种不稳定的基本粒子，称做介子，质量约为电子质量的倍，它带有一个电子电荷量的正电荷或负电荷，称做或若参考系中介子处于静止，它们的平均寿命为，设介子以速率运动，求从实验室参考系观测到的该粒子的平均寿命．
    
    
    
    
    
    
     
16. 一静止的氡核发生衰变，放出一个速度为，质量为的粒子和一个质量为的反冲核钋，若氡核发生衰变时，释放的能量全部转化为粒子和钋核的动能。

写出衰变方程

求出反冲核的速度大小

求出这一衰变过程中亏损的质量。






 

17. 一个静止的铀核放出一个粒子变成钍核，设该核反应中释放的能量全部转化为两个粒子的动能，已知粒子动能为，真空中的光速为求：

钍核的动能．

该核反应中的质量亏损．

答案和解析

1.【答案】
 

【解析】

【分析】
、狭义相对论的两个基本假设： 
物理规律在所有惯性系中都具有相同的形式，这叫做相对性原理； 
在所有的惯性系中，光在真空中的传播速率具有相同的值，这叫光速不变原理；它告诉我们光在真空中的速度是恒定的，它不依赖于发光物体的运动速度。 
、狭义相对论的几个重要的效应： 
钟慢效应：运动的钟比静止的钟走得慢，而且运动速度越快，钟走的越慢，接近光速时，钟就几乎停止了； 
尺缩效应：在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短，当速度接近光速时，尺子缩成一个点；
质量变大：质量或能量并不是独立的，而是与运动状态相关的，速度越大，质量越大。
【解答】
A.牛顿定律是经典物理学的基础，仅适用于低速、宏观领域，故A正确；
B.根据狭义相对论可知，在所有的惯性系中，光在真空中的传播速率具有相同的值，这叫光速不变原理，故B错误；
C. 根据狭义相对论的钟慢效应可知，在高速运动的列车中的钟表比静止在地面上的钟表走的慢，故C错误；
D.根据狭义相对论的尺缩效应可知，在地面观察高速行进的列车时，测其长度会比它静止时的长度小，故D错误。
故选A。  

2.【答案】
 

【解析】

【分析】
本题考查狭义相对论的两个原理和基本结论，熟记并理解它，可以解决所有关于狭义相对论的问题。
【解答】
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，高速运动的物体，有时间变慢和长度缩短的效应，故AB错误；
C.麦克斯韦根据电磁场理论预言了电磁波的存在，并证明了速度等于光速，故C正确；
D.相对论和量子力学适用于高速运动的微观粒子，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相差不大，故D错误。
故选：。  

3.【答案】
 

【解析】解：、经典力学的思想方法不只在物理学与天文学产生了影响，在其它领域也有广泛的影响，故A错误；
B、经典力学只适用于宏观、低速、弱引力场，故B正确，CD错误；
故选：。
经典力学的适用范围是宏观、低速情形，高速情形要用相对论，微观粒子运动要用量子力学．
此题考查经典力学的适用范围和相对论、量子力学主要研究的对象．属于基础题．
 

4.【答案】
 

【解析】

【分析】了解经典时空观认为空间和时间是独立于物体及其运动而存在的。了解相对论的观点。本题考查基础知识，容易。
【解答】
A.牛顿力学时空观认为空间和时间是独立于物体及其运动而存在的，故A正确；
B.经典力学是相对论在低速条件下的近似。故B错误；
C.相对论中尺子收缩效应说明：速度越大，在尺子运动的方向上运动的尺子比静止的尺子短，故C错误；
D.在不同的惯性系，真空中的光速是相同的，故D错误。  

5.【答案】
 

【解析】

【分析】
经典力学的适用范围是宏观、低速情形，高速情形要用相对论，微观粒子运动要用量子力学。
此题考查经典力学的适用范围和相对论、量子力学主要研究的对象．属于基础题。
【解答】
相对论、量子论的提出，没有否定经典力学，经典力学是相对论、量子力学在低速、宏观状态下的特殊情形，对于高速、微观的情形经典力学不适用，故AB错误；
C.在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，但在相对论中质量是随速度的改变而改变的，故C错误；
D.根据狭义相对论的几个重要的效应：钟慢效应、尺缩效应、质量变大，知质量、长度、时间的测量结果都与物体相对观察者的相对运动状态有关，故D正确。
故选D。  

6.【答案】
 

【解析】

【分析】
本题考查了爱因斯坦相对论效应中的长度和时间的相对性公式，关键记住公式。
理解狭义相对论的两个基本假设，相对论中的质量与速度的关系，时间与速度的关系。
【解答】
根据狭义相对论可知，飞船相对此考生以的速度匀速飞过时，飞船上的观察者认为此考生考完这场考试所用的时间，可知飞船上的观察者认为此考生考完这场考试所用的时间大于分钟。选项C正确，ABD错误。

故选C。

7.【答案】
 

【解析】

【分析】
经典物理学家的观点认为物体的长度是不变的；而根据相对论的时空观，运动物体的长度满足，据此即可判断出杆的长度变化；根据相对论质量公式即可确定运动时的质量和静止时质量之间的关系。
本题考查长度和质量的相对性，知道经典的时空观与相对论时空观的区别，以及长度变化与运动方向的关系是解答该题的关键。
【解答】
A.一根杆的长度静止时为，当杆运动的方向与杆垂直时，杆的长度不发生变化，A错误；
B.经典物理学家的观点认为，一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，B正确；
C.由相对论质量公式可知，当物体的速度很大时，其运动时的质量明显大于静止时的质量，C正确；
D.根据相对论时空观的观点，两根平行的杆在沿自己的长度方向上做相对运动，与它们一起运动的两位观察者都会认为对方的杆缩短了，D正确．
故选A。  

8.【答案】
 

【解析】

【分析】
经典力学适用于宏观低速物体，不能适用于微观高速物体；相对论和量子力学更加深入地研究运动规律，但并没有否认经典力学的意义。
相对论和量子力学的推出并不意味着经典力学的全盘否定，只是它应在一定条件下使用。
【解答】
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物体，故D错误。
故选B。  

9.【答案】
 

【解析】

【分析】
本题考查狭义相对论的两个原理和基本结论，熟记并理解它，可以解决所有关于狭义相对论的问题．
、狭义相对论的两个基本假设：物理规律在所有惯性系中都具有相同的形式．这叫做相对性原理在所有的惯性系中，光在真空中的传播速率具有相同的值这叫光速不变原理．它告诉我们光在真空中的速度是恒定的，它不依赖于发光物体的运动速度．、狭义相对论的几个重要的效应：钟慢效应：运动的钟比静止的钟走得慢，而且，运动速度越快，钟走的越慢，接近光速时，钟就几乎停止了；尺缩效应：在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短，当速度接近光速时，尺子缩成一个点．质量变大：质量或能量并不是独立的，而是与运动状态相关的，速度越大，质量越大．
【解答】
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，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正确；

B.相对论时空观认为物体的长度和质量会随着物体的速度不同而不同。故B正确；

C.经典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，故C正确；

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相差不大，故经典力学是适用的，故D不正确；

本题选择不正确的，故选D。

10.【答案】
 

【解析】

【分析】
求出核反应过程中的质量亏损，再根据爱因斯坦质能方程进行求解。
本题主要是考查核反应过程中的能量计算，会计算质量亏损，能够利用爱因斯坦质能方程进行解答是关键。
【解答】
反应过程中的质量亏损约为：
，
由于，
根据爱因斯坦质能方程可得：，故C正确，ABD错误。
故选：。  

11.【答案】
 

【解析】

【分析】
本题考查了黑体辐射、雷达的应用、相对论和质能方程，综合性较大，但难度不大，基础概念题。
入射光照到黑体表面将会被全部吸收，但黑体也会向外辐射；雷达是利用电磁波来工作的；相对论认为空间和时间与物质的运动状态有关；爱因斯坦提出的质能方程中的是物体所具有的能量。
【解答】
A.入射光照到黑体表面将会被全部吸收，但黑体也会向外辐射，A正确；
B.雷达是利用电磁波来工作的，B错误；
C.相对论认为空间和时间与物质的运动状态有关，C正确；
D.爱因斯坦提出的质能方程中的是物体所具有的能量，中才是发生核反应中释放的核能，D错误。
故选AC。  

12.【答案】
 

【解析】解：、根据质量数和电荷数守恒可得该核反应方程为：，可见是中子，故A错误；
B、释放出的能量对应的质量为，根据质量守恒定律可得粒子的质量为，故B正确；
C、太阳辐射的总功率约为，则太阳每秒因为辐射损失的质量为：
，故C正确；
D、太阳每秒放出的能量：
则太阳每秒因为辐射损失的质量为：，故D错误。
故选：。
根据质量数和电荷数守恒分析属于哪种粒子；求出释放出的能量对应的质量，根据质量守恒定律可得粒子的质量；根据爱因斯坦质能方程求解太阳每秒因为辐射损失的质量。
本题主要是考查核反应方程；解答此类题目关键要掌握：核反应过程中质量数守恒、电荷数守恒；能够根据计算核反应过程中释放或吸收的能量。
 

13.【答案】
 

【解析】

【分析】
根据爱因斯坦狭义相对论，运动具有延时效应，故参考系高速运动的物体上的时间进程变慢．
本题考查爱因斯坦狭义相对论，关键是记住相对论的几个效应，如：尺缩效应、运动延时效应、质速关系．
【解答】
飞船上的人是以飞船为参考系，故地球是高速运动的，根据爱因斯坦质能方程的运动延时效应，飞船上的人观测到地球上的钟较慢，即飞船上的人观测到飞船上的钟较快，故A正确，B错误；
地球上的人以地球为参考系，认为飞船高速运动，同样根据爱因斯坦质能方程的运动延时效应，飞船上的钟较慢，故地球上的人观测到地球上的钟较快，故C正确，D错误；
故选AC。  

14.【答案】
 

【解析】解：、飞船上的人是以飞船为参考系，故地球是高速运动的，根据爱因斯坦质能方程的运动延时效应，飞船上的人观测到地球上的钟较慢，即飞船上的人观测到飞船上的钟较快，故A正确，B错误；
、地球上的人以地球为参考系，认为飞船高速运动，同样根据爱因斯坦质能方程的运动延时效应，飞船上的钟较慢，故地球上的人观测到地球上的钟较快，故C正确，D错误；
故选：。
根据爱因斯坦狭义相对论，运动具有延时效应，故参考系高速运动的物体上的时间进程变慢．
本题考查爱因斯坦狭义相对论，关键是记住相对论的几个效应，如：尺缩效应、运动延时效应、质速关系．
 

15.【答案】解：根据“钟慢效应”知：
将，代入解得：
答：从实验室参考系观测到的该粒子的平均寿命为。
 

【解析】本题考查相对论的时空观，知道在不同参考系中时间的相对性原理即可求解。
 

16.【答案】解： 

设钋核的反冲速度大小为，

由动量守恒定律有，

衰变过程中产生的机械能

，

产生这些机械能亏损的质量

。

答： 衰变方程；   
反冲核的速度大小；

这一衰变过程中亏损的质量。

【解析】根据电荷数守恒、质量数守恒写出核反应方程，根据动量守恒定律求出反冲速度，再根据能量守恒求出释放的核能。
核反应遵守的基本规律有动量守恒和能量守恒，书写核反应方程式要遵循电荷数守恒和质量数守恒。
 

17.【答案】解：以粒子的速度方向为正方向，系统的动量守恒得
所以
粒子的质量数为，钍核的质量数为，得
释放的总能量：
由得

答：钍核的动能是；
该核反应中的质量亏损是。
 

【解析】衰变过程类似于爆炸，满足动量守恒和能量守恒，结合动能的表达式即可求出；
衰变产生的能量全部以动能的形式释放，可求释放的总能量，结合爱因斯坦质能方程，求出质量亏损。
本题考查了写核反应方程式、求速度、求质量亏损，知道核反应过程质量数与核电荷数守恒、应用动量守恒定律、质能方程即可解题。