物理必修 第二册5 相对论时空观与牛顿力学的局限性课后作业题

7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性同步测试（含答案）

一、单选题

1．适用微观粒子领域的理论为（　　）

A．经典力学 B．狭义相对论

C．量子力学 D．广义相对论

2．物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识，推动了科学技术的创新和革命，促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步，下列表述正确的是（　　）

A．牛顿发现了万有引力定律

B．“地心说”的代表人物是哥白尼

C．相对论的创立表明经典力学已不再适用

D．经典力学既适用于弱相互作用，也适用于强相互作用

3．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

4．关于相对论时空观与牛顿力学的局限性，下列说法中正确的是（　　）

A．相对论和量子力学更加深入地研究运动规律，彻底否认了经典力学

B．相对论认为真空中的光速在不同的惯性参考系中是不同的

C．牛顿定律不适用于研究中国空间站天和核心舱的高速发射

D．经典力学是相对论及量子力学在一定条件下的特例

5．下列有关物理内容的若干叙述中正确的是（　　）

A．小船过河的时间会因河中心附近水流速度逐渐增大而减少

B．接近光速的列车，地面上的人观测它在运动方向上的长度缩短

C．只要高度合适，北京上空也可能存在同步卫星

D．伽利略发现了行星运动的规律

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．美国科学家于2016年2月11日宣布，他们探测到引力波的存在。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。关于牛顿力学，下列说法正确的是 （　　）

A．牛顿力学完全适用于物体的运动

B．牛顿力学取得了巨大成就，在宏观物体低速运动中是普遍适用的

C．随着物理学的发展，牛顿力学将逐渐成为过时的理论

D．由于相对论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值

8．如图，按照狭义相对论的观点，火箭B是“追赶”光的；火箭A是“迎着”光飞行的。若火箭相对地面的速度均为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，c

C．c-v，c＋v D．无法确定

9．牛顿时代的科学家们围绕天体之间引力的研究，经历了大量曲折而又闪烁智慧的科学实践，在万有引力定律的发现及其发展历程中，下列叙述不符合史实的是（　　）

A．开普勒研究了第谷的行星观测记录，得出了开普勒行星运动定律

B．卡文迪许首次在实验室中比较准确地得出了引力常量G的数值

C．根据天王星的观测资料，天文学家利用万有引力定律计算出了海王星的轨道

D．20世纪初建立的量子力学和爱因斯坦提出的狭义相对论表明经典力学不适用于微观粒子和低速运动物体

10．在1905年爱因斯坦提出了狭义相对论理论，此理论建立的前提有两个假设条件以及在相对论理论下观察到的不同现象，如果有接近光速运动下的物体时间和空间都会发生相应的变化，下列说法中正确的是（　　）

A．在不同的惯性参考系中，一切物体的规律是不同的

B．真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的

C．物体在接近光速运动时，它沿运动方向上的长度会变大

D．狭义相对论只适用于高速运动的物体，不适用于低速运动的物体

11．惯性系S中有一边长为l的正方形，从相对S系沿x方向以接近光速飞行的飞行器上测得该正方形的图象是(  )

A． B．

C． D．

12．“嫦娥二号”卫星已成功发射，如图所示，这次发射后卫星直接进入近地面附近、远地点高度约38万公里的地月转移椭圆轨道，地球的球心位于该椭圆的一个焦点上，A、B两点分别是卫星运行轨道上的近地点和远地点。若卫星所受的阻力忽略不计，则（　　）

A．运动到A点时其速率可能大于11.2km/s

B．运动到B点时的速率大于运动到A点时的速率

C．若要卫星在A点所在的高度做匀速圆周运动，需在A点加速

D．若要卫星在B点所在的高度做匀速圆周运动，需在B点加速

二、解答题

13．地球绕太阳公转的速度是3×104 m/s，设在美国伊利诺斯州费米实验室的圆形粒子加速器可以把电子加速到0.999 999 999 987倍光速的速度，请思考：

（1）在狭义相对论中，地球的公转速度属于低速还是高速？被加速器加速后的电子的速度属于低速还是高速？

（2）在地面上校准的两只钟，一只留在地面上，一只随宇宙飞船遨游太空，隔一段时间飞船返回地面时，两只钟显示的时间相同吗？有什么差别？

14．一列火车以速度v相对地面运动（图）。如果地面上的人测得，某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁后壁，那么按照火车上人的测量，闪光先到达前壁还是后壁？火车上的人怎样解释自己的测量结果？

15．假设某太空飞船的长度为，一站在地面上的观察者观察到该太空飞船相对自己沿太空飞船长度方向以速度从正上方飞过。则：

(1)地面上的观察者测量的太空飞船飞过该观察者的时间为多少？

(2)太空飞船上的人测量的太空飞船飞过观察者的时间为多少？

16．如图13－3－3所示，考虑几个问题：

(1)若参考系O′相对于参考系O静止，人看到的光速应是多少？

(2)若参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动，人看到的光速应是多少？

(3)若参考系O相对于参考系O′以速度v向左运动，人看到的光速又是多少？

三、填空题

17．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。

18．（1）按照狭义相对论的观点，在太空中“迎着”光飞行的宇宙飞船上，观察者测得的光速___________（选填“大于”、“等于”、“小于”，其中为真空中的光速）。

（2）由于狭义相对论效应，北斗卫星导航系统卫星上的原子钟会因为高速运动而导致时间___________（选填“变慢”或“变快”），这些时钟如果不加以校正的话，系统每天将累积很大的定位误差，因此，这些卫星的软件需要计算和抵消相对论效应，确保定位准确。

19．宽度为l的宇宙飞船沿其长度方向以0.8c(c为真空中的光速)远离地球，地球上的人看到宇宙飞船宽度________(选填“大于”“等于”或“小于”)l，飞船和地面上各有一只铯原子钟，地球上的人观察到________(选填“飞船上钟较快”“地面上钟较快”或“两只钟一样快”)。

20．在高速行进的火车车厢正中的闪光灯发一次闪光向周围传播，闪光到达车厢后壁时，一只小猫在车厢后端出生，闪光到达车厢前壁时，两中小鸡在车厢前端出生．则火车上的人看这件事，猫和鸡中出生时间关系是_________________(鸡先出生或猫先出生或同时出生)，在地面上的人看这件事，是__________(鸡先出生或猫先出生或同时出生)

参考答案

1．C

【详解】

A．经典力学只适用于宏观低速的物体，不适用于微观高速的物体，故A错误；

B．狭义相对论是研究时间和空间的关系，故B错误；

C．量子力学是研究物质世界微观粒子运动的规律，故C正确；

D．广义相对论是描写物质间引力相互作用的理论，故D错误。

故选C。

2．A

【详解】

A．人们一般都认为牛顿从观察到苹果落地就总结出了万有引力定律，故A正确；

B．“地心说”的代表人物是托米勒，“日心说”的代表人物是哥白尼，故B错误；

C．经典力学适用于宏观物体和低速运动的物体，对于微观世界和高速运动的物体不再适用，相对论并没有否定经典力学，而是在其基础上发展起来的，故C错误；

D．经典力学只适用于弱相互作用，不适用于强相互 作用，故D错误。

故选A。

3．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。

4．D

【详解】

A．相对论和量子力学并没有否定经典力学，认为经典力学是在一定条件下的特殊情形，故A错误；

B．根据狭义相对论的光速不变原理，真空中光速在不同的惯性参考系中是相同的，故B错误；

C．牛顿定律属于经典力学的研究范畴，适用于宏观、低速运动的物体，低速和高速的标准是相对于光速，可判定牛顿定律适用于研究中国空间站天和核心舱的高速发射，故C错误；

D．经典力学是相对论及量子力学在一定条件下的特例，它包含于相对论和量子力学中，故D正确。

故选D。

5．B

【详解】

A．小船过河的时间取决于河宽及船在垂直河岸的分速度，与水速无关，A错误；

B．由爱因斯坦相对论中的尺缩效应可知，接近光速的列车，地面上的人观测它在运动方向上的长度缩短，B正确；

C．由引力作为向心力可得

同步卫星相对地球静止，运行周期24h，故只能定位在赤道上空固定高度处，C错误；

D．开普勒发现了行星运动的规律，D错误。

故选B。

6．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．B

【详解】

AB．牛顿力学适用于低速运动、宏观物体，A错误，B正确；

C．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，C错误；

D．虽然相对论、量子论的提出，但经典力学仍是有一定的价值。对于低速、宏观的物体经典力学仍然适用，D错误。

故选B。

8．B

【详解】

根据狭义相对论的观点：光速不变原理，即光速的大小与光源以及观察者的运动无关，所以两火箭上的观察者测出的光速都是c。

故选B。

9．D

【详解】

A．开普勒研究了第谷的行星观测记录，得出了开普勒行星运动定律，A正确，不符合题意；

B．卡文迪许首次在实验室中比较准确地得出了引力常量G的数值，B正确，不符合题意；

C．根据天王星的观测资料，天文学家利用万有引力定律计算出了海王星的轨道，C正确，不符合题意；

D．20世纪初建立的量子力学和爱因斯坦提出的狭义相对论表明经典力学不适用于微观粒子和高速运动物体，D错误，符合题意。

故选D。

10．B

【详解】

A．根据相对论的两个基本假设可知，在不同的惯性参考系中，一切物体的规律是相同的，故A错误；

B．根据相对论的两个基本假设可知，在不同的惯性参考系中，真空中的光速是相同的，故B正确；

C．根据长度从相对论关系

可知， 当物体在接近光速运动时，它沿运动方向上的长度会变小，故C错误；

D．狭义相对论即适用于高速运动的物体，也适用于低速运动的物体，经典力学是狭义相对论在低速（）条件下的近似，故D错误。

故选B。

11．C

【详解】

由相对论知识

l＝l0

得运动方向上的边的边长变短，垂直运动方向的边的边长不变。

故选C。

12．D

【详解】

A．11.2km/s为第二宇宙速度，如果运动到A点时其速率大于11.2km/s，将会摆脱地球的引力，A错误；

B．根据开普勒第二定律知，卫星在椭圆轨道近地点A的速率大于在远地点B的速率，B错误；

CD．因为由低轨道转至高轨道需要加速，由高轨道转至低轨道需要减速，所以，若要卫星在A点所在的高度做匀速圆周运动，需在A点减速，让其做近心运动，若要卫星在B点所在的高度做匀速圆周运动，需在B点加速，让其做离心运动，故C错误，D正确。

故选D。

13．（1）地球的公转速度属于低速，被加速器加速后的电子的速度属于高速；（2）不相同，随飞船旅行的时钟变慢。

【详解】

略

14．闪光先到达前壁，原因见解析

【详解】

地面上的人以地面为参考系，光向前向后传播的速度相等，某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁，向前传播的路程与向后传播的路程相同，由于火车向前运动，所以点光源的到火车的前面的距离小；车厢中的人认为，车厢是个惯性系，光向前向后传播的速度相等，点光源的到火车的前面的距离小，闪光先到达前壁。

15．(1)；(2)

【详解】

(1)地面上的观察者测量的太空飞船的长度为

地面上的观察者测量的太空飞船飞过该观察者的时间

(2)太空飞船上的人测得太空飞船飞过观察者的时间为

16．(1)c　(2)c　(3)c

【解析】

根据狭义相对论的光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系．

因此三种情况下，人观察到的光速都是c.

17．大于    小于    等于   

【详解】

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。

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。

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。

18．等于    变慢   

【详解】

（1）根据狭义相对论的观点：光速不变原理，即光速的大小与光源以及观察者的运动无关，所以观察者测出的光速都是c

（2）根据时间间隔的相对性原理，北斗卫星导航系统卫星上的原子钟会因为高速运动而导致时间变慢。

19．等于    地面上钟较快   

【详解】

宇宙飞船宽度在运动的垂直方向，所以地球上的人看到宇宙飞船宽度不变；根据相对论动钟变慢知识，地面上钟较快。

20．同时出生    猫先出生   

【详解】

火车中的人认为，车厢是个惯性系，光向前向后传播的速度相等，光源在车厢中央，闪光同时到达前后两壁则在火车上的人看来，小猫和小鸡同时出生；

地面上的人以地面是一个惯性系，光向前向后传播的速度相等，向前传播的路程长些，到达前壁的时刻晚些。故在地面上的人看来，一只小猫先出生。