物理人教版 (2019)5 相对论时空观与牛顿力学的局限性优秀课时练习

这是一份物理人教版 (2019)5 相对论时空观与牛顿力学的局限性优秀课时练习，共5页。

[基础对点练]
对点练1 相对论时空观的理解
1．(多选)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观察这一光速为1.5c
B．飞船正后方地面上的观察者观察这一光速为0.5c
C．在垂直飞船前进方向地面上的观察者观察这一光速是c
D．在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c
2．在地面附近有一高速飞行的宇宙飞行器，关于地面上的人和宇宙飞行器中的宇航员观察到的现象，下列说法正确的是( )
A．地面上的人观察到宇宙飞行器变短了
B．地面上的人观察到宇宙飞行器变长了
C．宇航员观察到宇宙飞行器内的时钟变慢了
D．宇航员观察到宇宙飞行器内的时钟变快了
3．惯性参考系S中有一边长为l的正方形．从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图像可能是( )
4．话说有兄弟两个，哥哥乘坐宇宙飞船以接近光的速度离开地球去遨游太空，经过一段时间返回地球，哥哥惊奇地发现弟弟比自己要苍老许多，则该现象的科学解释是( )
A．哥哥在太空中发生了基因突变，停止生长了
B．弟弟思念哥哥而加速生长了
C．由相对论可知，物体速度越大，在其上时间进程就越慢，生理过程也越慢
D．这是神话，科学无法解释
5．星际飞船正在遥远的外太空飞行，假如它的速度可以达到0.7c，在地球上观测到其经过8.76×104 h的时间到达某星球，则在飞船上的人看来，其到达此星球需要的时间是( )

A．8.76×104 h B．6.26×104 h
C．12.27×104 h D．16.52×104 h
6.
甲、乙两人站在地面上时身高都是L0，甲、乙分别乘坐速度为0.6c和0.8c(c为光速)的飞船同向运动，如图所示．此时乙观察到甲的身高L ________ L0；若甲向乙挥手，动作时间为t0，乙观察到甲动作时间为t1，则t1 ________ t0.(均选填“＞”“＝”或“＜”)
对点练2 经典力学与相对论、量子力学的比较
7．绝对真理是不存在的，物理规律总是在一定的范围内成立．如牛顿运动定律的适用范围是( )
A．宏观物体的运动 B．微观粒子的运动
C．宏观物体的低速运动 D．微观粒子的低速运动
8．关于牛顿力学的适用范围和局限性，下列说法正确的是( )
A．牛顿力学过时了，应该被量子力学所取代
B．由于超音速飞机的速度太大，其运动不能用牛顿力学来解释
C．人造卫星的运动不适合用牛顿力学来描述
D．当物体的速度接近光速时，其运动规律不适合用牛顿力学来描述
9．(多选)牛顿运动定律适用于下列哪些情况( )
A．研究原子中电子的运动
B．研究“嫦娥三号”的高速发射
C．研究地球绕太阳的运动
D．研究飞机从北京飞往纽约的航线
[能力提升练]
10．离开地面6 km高空存在某μ子源，产生的μ子以0.99c(c为真空中光速)飞向地面．已知μ子的静止寿命为3.0 ×10－6s.地面能收到该源的μ子，则( )
A．高速μ子的寿命大于3.0 ×10－6s
B．高速μ子的寿命等于3.0 ×10－6s
C．μ子参考系下观察到离地距离大于6 km
D．μ子参考系下观察到离地距离等于6 km
11．“世界物理年”决议的作出与爱因斯坦的相对论时空观有关．根据爱因斯坦的理论，一把米尺，在它与观察者有不同相对速度(沿尺长方向)的情况下，米尺长度是不同的，它们之间的关系如图所示．由此可知，当米尺和观察者的相对速度达到0.8c(c为光速)时，米尺的长度大约为 ________ m．在日常生活中，我们无法观察到米尺长度变化的现象，是因为观察者相对于米尺的运动速度 ________ .
12．如图所示，在地面上M点固定一光源，在离光源等距的A、B两点上固定有甲、乙两个光接收器，今使光源发出一闪光，问：
(1)在地面参考系中观测，甲、乙哪个先接收到光信号？
(2)在沿AB方向高速运动的火车参考系中观测，甲、乙哪个先接收到光信号？
13．长度测量与被测物体相对于观察者的运动有关，一艘宇宙飞船的船身长度为l0＝90 m，相对地面以v＝0.8c的速度在一观测站的上空飞过．(光速c＝3.0×108 m/s)
(1)观测站测得飞船的船身通过观测站的时间间隔是多少？
(2)宇航员测得船身通过观测站的时间间隔是多少？
[素养培优练]
14．如图，假设一根10 m长的梭镖以光速穿过一根10 m长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的．以下叙述中最好地描述了梭镖穿过管子情况的是( )
A．梭镖收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它
B．管子收缩变短，因此在某些位置上，梭镖从管子的两端伸出来
C．两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管子恰好遮住梭镖
D．所有这些都与观察者的运动情况有关
参考答案
1.CD [根据狭义相对论的“光速不变原理”可知，真空中的光速在不同的惯性系中都是相同的，C、D正确．]
2.A [根据爱因斯坦相对论可知，地面上的人观察到飞船变短了，故A正确，B错误；运动是相对的，飞船上的人员观察到飞船的长度不变且时间进程也不变，故C、D错误．]
3.C [由l＝l0 eq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(v,c)))\s\up12(2)) 可知沿速度方向即沿x方向的长度变短了，而垂直于速度方向，即沿y轴方向上的边长不变，故选项C正确．]
4.C [根据相对论的时间延缓效应，当飞船速度接近光速时，时间会变慢，时间延缓效应对生命过程、化学反应等也是成立的．飞船运行的速度越大，时间延缓效应越明显，人体新陈代谢越缓慢．故选C.]
5.B [Δτ＝Δt eq \r(1－\f(v2,c2)) ＝8.76×104× eq \r(0.51) h≈6.26×104 h，故B正确．]
6.[解析] 因为人站立时是垂直于飞船速度方向的，没有长度收缩效应，身高L＝L0；乙比甲运动得快，故根据相对论的时间延缓效应，t1>t0.
[答案] ＝ >
7.C [牛顿运动定律的适用范围是宏观物体的低速运动，不适用微观粒子的高速运动．故选项C正确．]
8.D [牛顿力学没有过时，在低速宏观问题中仍然适用，故A错误；超音速飞机的速度远低于光速，其运动能用牛顿力学来解释，故B错误；人造卫星的运动速度远低于光速，适合用牛顿力学来描述，故C错误；当物体的速度接近光速时，其运动规律不适合用牛顿力学来描述，故D正确．]
9.BCD [牛顿力学属于经典力学的研究范畴，适用于宏观、低速运动的物体，并注意到低速和高速的标准是相对于光速，可判定牛顿运动定律适用于B、C、D中描述的运动，而A不适用．]
10.A [根据钟慢效应t＝ eq \f(t0,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(v,c)))\s\up12(2))) ＝ eq \f(3.0×10－6,\r(1－0.992)) >t0，由此可知，高速μ子的寿命大于3.0×10－6s，故A正确，B错误；根据尺缩效应l＝l0 eq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(v,c)))\s\up12(2)) 11.[解析] 由图可以看出，当米尺和观察者的相对速度达到0.8c时，米尺的长度大约为0.6 m．在日常生活中，我们无法观察到米尺长度变化的现象，是因为观察者相对于米尺的运动速度远小于光速．
[答案] 0.6 远小于光速
12.[解析] (1)因光源离A、B两点等距，光向A、B两点传播速度相等，则光到达A、B两点所需要的时间相等．即在地面参考系中观测，两接收器同时接收到光信号．
(2)对于火车参考系来说，光源和A、B两接收器都沿BA方向运动，当光源发出的光向A、B传播时，A和B都沿着BA方向运动了一段距离到达A′和B′，如图所示，所以光到达A′的距离更长，到达B′的距离更短，即在火车参考系中观测，B比A先接收到光信号．
[答案] (1)同时接收到光信号 (2)B先接收到光信号
13.[解析] (1)观测站测得船身的长度为
l＝l0 eq \r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(v,c)))\s\up12(2)) ＝54 m
通过观测站的时间间隔为
Δt＝ eq \f(l,v) ＝ eq \f(54 m,0.8c) ＝2.25×10－7 s.
(2)宇航员测得飞船船身通过观测站的时间间隔为
法一：Δt′＝ eq \f(l0,v) ＝ eq \f(90 m,0.8c) ＝3.75×10－7 s.
法二：Δt′＝ eq \f(Δt,\r(1－\f(v2,c2))) ＝ eq \f(2.25×10－7,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(0.8c,c) ))\s\up12(2)) ) s＝3.75×10－7 s.
[答案] (1)2.25×10－7 s (2)3.75×10－7 s
14.D [如果观察者是在相对于管子静止的参考系中观察运动着的梭镖，那么梭镖看起来就比管子短，在某些位置梭镖会完全在管子内部．然而当观察者和梭镖一起运动时，观察者看到的管子就缩短了，所以在某些位置，观察者可以看到梭镖两端都伸出管子．故D正确，A、B、C错误．]