第五章 科技进步无止境 学案 高中物理新鲁科版必修第二册（2022年）

第五章 科技进步无止境

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一、初识相对论

1．跨越时空的对话

2．爱因斯坦的狭义相对论

二、相对论中的神奇时空

1．时间延缓效应

(1)在相对论时空观中，当时钟相对于观测者静止时，观测者认为时钟走得       些；当时钟相对于观测者           时，观测者则认为时钟变      了。

(2)关系式：τ＝，运动观测者测得的时间为τ (运动时间)，静止观测者测得的时间为τ0(静止时间)。

2．长度收缩效应

(1)若有一把刻度尺，相对它的静止的观测者测量其长度为l0(静止长度，又称固有长度)，沿它长度方向相对运动的观测者测量其长度则是l ，它们的关系为l＝ l0。

(2)被测物体相对观测者的速度越大，长度收缩效应越明显。

3．质能关系

(1)质能关系式：             。

①质量和能量是物质不可分离的属性。

②随着物体质量的减少，它会释放出一定的能量，其关系为ΔE＝Δmc2。

(2)拓展：质速关系式m＝中，m为物体的运动质量，m0为静止质量，v为物体相对惯性系的运动速度。物体的质量会随着它运动速度的增大而增大。

4．奇妙的时空弯曲

(1)爱因斯坦的广义相对论认为，由于物质的存在，空间和时间会发生弯曲。

(2)天体之间的引力作用是时空弯曲的结果。

(3)当遥远的恒星发出的光经过太阳表面时，太阳周围的空间弯曲，致使光线发生弯曲。

三、探索宇宙的奥秘

1．古希腊德谟克利特提出了“天体演化说”。

2．德国哲学家提出了“星云假说”。

3．爱因斯坦广义相对论提出了“有限无界的静态宇宙”模型。

4．1929年哈勃观测到遥远的恒星发出的光谱与地球上同种物质的光谱相比，波长变长，即向红光方向偏移。

5．美国科学家伽莫夫提出了“大爆炸宇宙模型”。

6．1998年科学家索尔·珀尔马特、布莱恩·施密特和亚当·里斯通过观测遥远的超新星，发现宇宙正在加速膨胀，并且证明了暗能量的存在。

7．2016年，我国落成启用“中国天眼”。

8．2017年8月17日，人们探测到来自双中子星合并产生的引力波信号，标志着天文学进入了一个新时代。

答案：均匀；无关；不动；无关；完全独立；不存在的；联系；联系；惯性参照系；惯性系；物理定律；性参照系；都一样；惯性系；无关； 快；高速运动； 慢；E＝mc2

1．判断正误。

(1)时间延缓效应是说时钟走得慢了。（    ）

(2)长度的收缩效应表明物体真实长度变小。（    ）

(3)物体所含物质的多少会随速度的变化而变化。（    ）

(4)爱因斯坦质能关系式E＝mc2表明物体具有的能量与其质量成正比。（    ）

(5)时空弯曲是在引力场或惯性系中产生的。（    ）

2．根据爱因斯坦提出的相对论，以下说法正确的是(　　)

A．经典力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用

B．物体的质量取决于物体所含物质的多少，因而物体速度多大，其质量与速度无关

C．一个真实的物体，其运动速度有可能达到甚至超过真空中的光速

D．质量、长度、时间的测量结果都是随物体与观测者的相对运动状态而改变

1．1905年爱因斯坦提出了狭义相对论，狭义相对论的出发点是以两条基本假设为前提的，这两条基本假设是(　　)

A．同时的绝对性与同时的相对性

B．运动的时钟变慢与运动的尺子缩短

C．时间间隔的绝对性与空间距离的绝对性

D．相对性原理与光速不变原理

2．A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上，B、C分别放在两个火箭上，两个火箭分别以速度vB和vC朝同一方向飞行，vB>vC。在地面上的人看来，关于时钟快慢的说法正确的是(　　)

A．B钟最快，C钟最慢　　　 B. A钟最快，C钟最慢

C．C钟最快，B钟最慢 D. A钟最快，B钟最慢

3．下列说法正确的是(　　)

A．牛顿运动定律就是经典力学

B．经典力学的基础是牛顿运动定律

C．牛顿运动定律可以解决自然界中所有的问题

D．经典力学可以解决自然界中所有的问题

4．如图所示，按照狭义相对论的观点，火箭A是迎着光飞行的，火箭B是“追赶”着光飞行的，若火箭相对地面的速度为v，则两火箭上的观察者测出的光速分别为(　　)

A．c＋v，c－v B. c－v，c＋v

C．c，c D. 无法确定

5．你现在正在完成100分钟的期末物理考试，假设一艘飞船相对你以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你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

6．[多选]关于时间和空间，在学习爱因斯坦的相对论后我们应认识到(　　)

A．因为时间是绝对的，所以我们在不同的参考系中观察到的时间进程都是相同的

B．空间与时间之间是没有联系的

C．有物质才有空间和时间

D．在一个确定的参考系中观察，运动物体的空间距离和时间进程跟物体的运动状态有关

7．如图所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)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. c

8．日常生活中，我们并没有发现物体的质量随物体运动的速度的变化而变化，其原因是(　　)

A．运动中的物体无法称量其质量

B．物体的速度远小于光速，质量变化极小

C．物体的质量太大

D．物体的质量不随速度的变化而变化

9．[多选]下列说法中，正确的是(　　)

A．爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量，它们之间可以相互转化

B．由E＝mc2可知，能量与质量之间存在着正比关系，可以用物体的质量作为它所蕴藏的能量的量度

C．核反应中发现的“质量亏损”是由静止质量变成运动质量

D．因为在核反应中产生能量，有质量的转化，所以系统只有质量数守恒，系统的总能量和总质量并不守恒

10．如图所示，一个鸡蛋和一个乒乓球都静止地面上，关于二者所具有的能量关系，下列说法中正确的是(　　)

A．鸡蛋大 B. 乒乓球大

C．一样大 D. 无法进行比较

11．[多选]欧洲大型强子对撞机是现在世界上体积最大、能量最高的加速器，是一种将粒子加速对撞的高能物理设备。该设备能把数以万计的粒子加速到相当于光速的99.9%的速度，粒子流每秒可在隧道内运行11 245圈，单束粒子能量可达7万亿电子伏。下列说法正确的是(　　)

A．如果继续对粒子进行加速，粒子的速度不能达到光速

B．如果继续对粒子进行加速，粒子的速度能够达到光速

C．如果继续对粒子进行加速，粒子的速度能够超过光速

D．粒子高速运动时的质量大于静止时的质量

参考答案

1．(1)×     (2)×     (3)×     (4)√     (5)×

2．解析：选D　根据爱因斯坦提出的相对论，经典力学只适用于宏观低速的运动，故A错误；质量随速度的增大而增大，故B错误；物体的速度不能越过光速，故C错误；质量、长度、时间的测量结果都与物体和观测者的相对运动状态有关，故D正确。

1．解析：选D　狭义相对论的两个基本假设是相对性原理和光速不变原理，故选D。

2．解析：选D　根据狭义相对论的时间延缓效应可知，速度越大，钟走得越慢，选项D正确。

3．解析：选B　经典力学并不等于牛顿运动定律，牛顿运动定律只是经典力学的基础；经典力学并非万能，也有其适用范围，并不能解决自然界中所有的问题，没有哪个理论可以解决自然界中所有的问题。因此只有B项正确。

4．解析：选C　根据光速不变原理，在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c都一样，因此在火箭A、B两个惯性参考系中，观察者测量到的光速一样大，均为c，故选项C正确。

5．解析：选A　根据狭义相对论可知，飞船相对此考生以0.3c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τ＝>τ0，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100 分钟，故A正确。

6．解析：选CD　经典物理学认为空间和时间是脱离物质存在的，是绝对的，空间与时间之间是没有联系的；在相对论中，时间和空间是和物质的运动相联系的，只有在物质存在时才有空间和时间的概念，时间和空间是相互联系且是相对的。故选项C、D正确。

7．解析：选D　由狭义相对论的光速不变原理知，真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，可知D正确。

8．解析：选B　根据狭义相对论m＝可知，在宏观物体的运动中，v≪c，所以m变化不大，而不是因为物体的质量太大或无法测量，也不是因为质量不随速度的变化而变化，正确选项是B。

9．解析：选BC　E＝mc2说明能量和质量之间存在着联系，即能量与质量之间存在着正比关系，但并不说明能量和质量之间存在相互转化的关系，故A错误，B正确；核反应中的“质量亏损”并不是质量消失，实际上是由静止的质量变成运动的质量，并不是质量转变成能量，故C正确；在核反应中，质量守恒，能量也守恒，在核反应前后只是能量的存在方式不同，总能量不变，在核反应前后只是物质由静质量变成动质量，故D错误。

10．解析：选A　物体所具有的能量和其质量有关，根据质能方程，质量越大，物体所具有的能量越大，所以鸡蛋具有的能量大于乒乓球具有的能量， 故A正确。

11．解析：选AD　光速是速度的极限，可以无限接近，但速度不能达到及超过光速，故A正确，B、C错误；根据公式m＝可知，高速运动的粒子的质量m大于静止时的质量m0，故D正确。