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精品一课一练

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知识点：相对论时空观与牛顿力学的局限性
1、相对论时空观与牛顿力学的局限性
牛顿力学时空观：
绝对时空观（牛顿力学时空观）：时间和空间都是独立于物体及其运动而存在的。该观点认为时间和空间是相互独立的。
不同参考性系之间的速度变换关系满足伽利略变换，比如河中的水以相对于岸的速度v 水岸流动，河中的船以相对于水的速度v 船水顺流而下，则船相对于岸的速度为v船岸＝v船水＋v 水岸。
相对论时空观：
19世纪，英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了电磁波的存在，并证明电磁波的传播速度等于光速c。
1887年迈克耳孙—莫雷实验以及其他一些实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的！这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符。
爱因斯坦两个假设：
在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；
真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。
相对论的两个效应：
时间延缓效应：如果相对于地面以v运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ，地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt，那么两者之间的关系是Δt＝eq \f(Δτ,\r(1－\f(v,c)2))。
Δt与Δτ的关系总有Δt＞Δτ，即物理过程的快慢(时间进程)与运动状态有关。
长度收缩效应：如果与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以v相对杆运动的人测得杆长是l，那么两者之间的关系是l＝l0eq \r(1－\f(v,c)2)。
l与l0的关系总有l＜l0，即运动物体的长度(空间距离)跟物体的运动状态有关。
低速运动：通常所见物体的运动，如投出的篮球、行驶的汽车、发射的导弹等物体皆为低速运动物体。
高速运动：物体的速度可以与光速相接近（比如有些微观粒子在一定条件下的速度），这样的速度称为高速。
对于低速运动的物体，相对论效应可以忽略不计，一般用经典力学规律来处理；对于高速运动问题，经典力学规律不再适用，需要用相对论知识来处理。
相对论的两个效应可以总结如下：
运动时钟会变慢，即Δt＝eq \f(Δτ,\r(1－\f(v,c)2))；运动长度会收缩，即l＝l0eq \r(1－\f(v,c)2)。
注意：相对于地面以速度v运动的物体，从地面上看沿着运动方向上的长度变短了，速度越大，变短得越多，而在垂直于运动方向不发生长度收缩效应现象。
“同时”的相对性
经典的时空观：在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察也是相同的。
相对论的时空观：“同时”具有相对性，即在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察不一定同时。
“长度”的相对性
经典的时空观：一列火车的长度不会因为观察者是否与火车做相对运动而不同。
相对论的时空观：“长度”也具有相对性，一列沿自身长度方向运动的火车，其长度总比静止时的长度小。
牛顿力学的成就与局限性
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，这些运动都服从牛顿力学的规律。牛顿力学在如此广阔的领域里与实际相符合，显示了牛顿运动定律的正确性和牛顿力学的魅力。
局限性：牛顿力学只适用于宏观世界低速运动的物体，不能描述微观世界粒子的运动规律。
当物体的速度接近光速时，需要利用相对论来阐述其运动的规律。
微观粒子的运动规律不能用牛顿力学来描述，需要利用量子力学规律来进行描述。
当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别。
当另一个重要常数即普朗克常量可以忽略不计时，量子力学和牛顿力学的结论没有区别。
相对论和量子力学并没有否定牛顿力学，牛顿力学是二者在一定条件下的特殊情形。
1．下列物理现象，用牛顿力学无法解释的是（ ）
A．高速运动的子寿命变长
B．人造卫星绕地球做匀速圆周运动
C．汽车转弯时发生的侧滑现象
D．随瀑布自由下落的物体不受浮力作用
2．下列说法正确的是（ ）
A．在经典力学和狭义相对论中，物体的质量都不随运动状态的改变而改变
B．狭义相对论和经典力学是完全不同、相互矛盾的两个理论
C．地面上汽车的运动，服从经典力学的规律，而处理人造地球卫星、航天飞机等高速问题，则必须用到相对论理论
D．上述说法都不正确
3．关于物理学相关知识，下列叙述中正确的是（ ）
A．“牛顿”可以是国际单位制中的基本单位
B．小船渡河时因水流速度忽然增大而缩短了渡河的时间
C．狭义相对论以两个基本假设为前提：相对性原理和光速不变原理
D．通过万有引力定律计算可知，只要适当调整高度，惠来上空也可能存在同步卫星
4．地面上的观察者测得真空中的光速为v1，在匀速直线运动的列车内，观察者测得真空中的光速为v2，根据狭义相对论，下列判断正确的是（ ）
A．v1>v2B．v15．2015年9月科学家探测到宇宙中距离我们13亿光年的两个黑洞合并而产生的引力波，填补了爱因斯坦广义相对论实验验证的最后一块“拼图”。关于相对论下列说法正确的是（ ）
A．经典时空观认为时间和空间是相互关联的
B．相对于观察者运动的时钟会变慢
C．在运动的参照系中测得的光速与其运动的速度有关
D．同一物体的长度不随观察者所处参考系的变换而改变
6．像一切科学一样，经典力学没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性。下列说法正确的是（ ）
A．量子论和狭义相对论否定了经典力学
B．牛顿的万有引力理论适用于白矮星表面
C．相对论适用于任何情况下的任何物体
D．狭义相对论是时空观发展史上的一次大变革
7．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
8．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
9．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，质量与速度大小无关
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、时间的测量结果都与观测者的相对运动状态有关
10．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
11．2021年10月5日，三位科学家因为他们立于科学前沿探索世间奥秘，而共享诺贝尔物理学奖。物理学史上许多物理学家的科学研究推动了人类文明的进程，关于相对论时空观与牛顿力学的局限性，下列说法正确的是（ ）
A．经典力学能够说明微观粒子的规律性，仍能适用于宏观物体的高速运动问题
B．相对论与量子力学的出现否定了经典力学，表示经典力学已失去意义
C．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
D．经典力学在现代广泛应用，它的正确性无可怀疑，仍是普遍适用的
12．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
13．下列说法中正确的是（ ）
A．牛顿测出了引力常量，他被称为“称量地球质量”第一人
B．相对论时空观认为物体的长度会因物体的速度不同而不同
C．所有行星的轨道半长轴跟公转周期的三次方的比值都相同
D．丹麦天文学家第谷经过多年的天文观测和记录，提出了“日心说”的观点
14．下面关于科学家做的贡献，说法正确的是（ ）
A．牛顿通过扭秤实验测出了万有引力常量
B．卡文迪什被称为“第一个称量地球质量的人”
C．爱因斯坦发现了相对论并成功推翻牛顿力学体系
D．开普勒独立观测了行星数据并总结出了开普勒三大定律
多选题
15．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．牛顿首先发现了万有引力定律
B．卡文迪什第一个测出了引力常量，也成为了第一个测出地球质量的人
C．相对论的创立表明牛顿力学已不再适用
D．相对论时空观把物理学推到更高领域
16．下列说法正确的是（ ）
A．经典力学包含在相对论之中，是相对论的特例
B．广义相对论时一种新的时空与引力理论
C．物理学家牛顿在实验室利用扭称装置测出了万有引力常量
D．如果物体在地面上静止不动。任何人在任何参考系里测出的物体长度都是一样的
17．迄今发现的二百余颗太阳系外行星大多不适宜人类居住，绕恒星“Gliese581”运行的行星“G1-581c”却很值得我们期待，该行星的温度在0℃到40℃之间，质量是地球的6倍、直径是地球的1.5倍，公转周期为13个地球日，“Gliese581”的质量是太阳质量的0.31倍，设该行星与地球均视为质量分布均匀的球体，绕其中心天体做匀速圆周运动，则（ ）
A．在该行星和地球上发射卫星的第一宇宙速度不同
B．如果人到了该行星，其体重比地球上的大
C．该行星与“Gliese581”的距离和日地距离相比较大
D．在忽略星球自转的情况下，在该行星和地球上测同一个物体的质量，地球上测得的质量比较小
18．下列说法正确的是（ ）
A．图甲中，小球可以仅在一恒力F的作用下沿图中轨迹从M点运动到N点
B．图乙中，小船在绳子拉力作用下水平向左运动，其速度分解遵循图中的分解方式
C．图丙中，绳长不变，小球做匀速圆周运动的角速度越大，绳子与竖直方向的夹角越大
D．图丁中，若飞机接近光速飞行时，经典力学就不再适用
19．如图所示，你站在水平木杆AB的中央附近，并且看到木杆落在地面上时是两端同时着地的，所以，你认为这木杆是平着落到了地面上；而此时飞飞小姐正以接近光速的速度从你前面掠过，她看到B端比A端先落地，因而她认为木杆是向右倾斜着落地的；她的看法是 ( )

A．对的
B．错的
C．她应感觉到木杆在朝她运动
D．她应感觉到木杆在远离她运动
20．有两辆较长的火车A和B，火车A静止不动，A的中央有一个光源，在某时刻发出一个闪光。此时火车B正以一较大的速度在平行于火车A的轨道上匀速运动，如图所示。关于火车A和火车B上的观察者观察到的现象，下列说法正确的是（ ）

A．火车A上的观察者看到闪光先到达火车A的前壁
B．火车A上的观察者看到闪光同时到达火车A的前、后壁
C．火车B上的观察者看到闪光不同时到达火车A的前、后壁
D．火车B上的观察者看到闪光同时到达火车A的前、后壁