人教版 (2019)必修 第二册5 相对论时空观与牛顿力学的局限性课时作业

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绝对时空观适用对象：
低速运动：运动速度远小于光速。若高速运动，则应用狭义相对论处理；
宏观物体：肉眼可见的物体就属于宏观物体。若微观粒子，则应用量子力学处理；
弱引力物体：若强引力物体，则应用广义相对论处理。
惯性系：参考系相对地面没有加速度。
非惯性系：参考系相对地面有加速度。
爱因斯坦的两个假设：
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。
时间延缓效应：
长度收缩效应（一种观测效应）：
注：观测变化是沿速度方向上的，垂直于运动方向上不发生长度收缩效应。
质量变化：
【相对论的时空观和牛顿定律的局限性举一反三】
1．下列情况中，牛顿运动定律不适用的是（ ）
A．研究原子中电子的运动B．研究神舟十六号飞船的发射速度
C．研究地球绕太阳的运动D．研究一颗铅球的投掷射程
【答案】A【详解】牛顿运动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，要注意到低速和高速的标准是相对于光速而言的，则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。故选A。
2．通过学习狭义相对论理论，可知下列说法正确的是（ ）
A．牛顿力学在任何情况下都适用
B．在所有的惯性参考系中，测得的真空中的光速相同
C．在不同的惯性参考系中，一切物理规律的形式都是不同的
【答案】B【详解】A．牛顿力学在宏观低速下才适用，A错误；B．根据光速不变原理，在任何惯性参考系中，测得的真空中的光速不变，B正确；C．在惯性参考系中，一切物理规律的形式都是相同的，C错误。故选B。
3．仅考虑狭义相对论效应，在高速飞行的火箭里的时钟走过10s，理论上在地面的观测者测得的时间（ ）
A．大于10sB．小于10sC．等于10sD．都有可能
【答案】A【详解】由爱因斯坦相对论时空观有由上述公式推理可知，所以在地面上观察者测得的时间大于10s。故选A。
4．下列说法正确的是( )
A．牛顿运动定律就是牛顿力学
B．牛顿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．牛顿力学可以解决自然界中所有的问题
【答案】B【详解】牛顿力学并不等于牛顿运动定律，牛顿运动定律只是牛顿力学的基础；牛顿力学并非万能，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。故选B。
5．以下说法正确的是（ ）
A．物体在恒力作用下不可能做曲线运动
B．万有引力定律只适用于天体之间的相互作用
C．物体在接近光速运动时，仍然遵从牛顿运动定律
D．天文学家根据万有引力公式推算并预测海王星的存在
【答案】D【详解】A．物体做曲线运动的条件是所受合力与初速度方向不在同一直线上，物体在恒力作用下可能做曲线运动，例如平抛运动，故A错误；B．自然界中任意两个物体之间都存在万有引力作用，万有引力定律既适用于质点间的相互作用力的计算，也适用于均质球体间的相互作用力的计算，故B错误；C．牛顿运动定律只适用于宏观、低速、弱引力场中的物体，接近光速时不适用，故C错误；D．天文学家根据万有引力公式推算并预测海王星的存在，故D正确。故选D。
6．牛顿定律的适用范围是（ ）
A．微观物体、低速运动B．宏观物体、低速运动
C．宏观物体、高速运动D．微观物体、高速运动
【答案】B【详解】牛顿定律的适用范围是宏观物体、低速运动。故选B。
7．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，促进了人类文明的进步，下列关于物理学家的贡献正确的是（ ）
A．开普勒发现了万有引力定律B．牛顿测出了万有引力常量
C．爱因斯坦创立了狭义相对论D．卡文迪什测出了静电力常量
【答案】C【详解】A．牛顿发现了万有引力定律，选项A错误； B．卡文迪许测出了万有引力常量，选项B错误；C．爱因斯坦创立了狭义相对论，选项C正确； D．卡文迪什测出了万有引力常量，选项D错误。故选C。
8．下列运动，经典的牛顿力学不再适用的是（ ）
A．东湖绿道上骑行观光的游客
B．电子绕原子核高速运动
C．人造地球卫星绕地球运转
D．平直公路上行走的路人
【答案】B【详解】经典的牛顿力学适用于宏观、低速的运动；故选B。
9．如图所示，假设一列火车沿水平轨道接近光速匀速行驶，车厢正中央的光源S发出了一个闪光，车上的人甲和车旁边的人乙进行观察，则（ ）

A．甲认为闪光先到达车厢的后壁
B．甲认为闪光先到达车厢的前壁
C．乙认为闪光先到达车厢的后壁
D．乙认为闪光先到达车厢的前壁
【答案】C【详解】AB．车厢是个惯性系，光源在车厢中央，车厢中的甲认为，光向前向后传播的速度、路程均相等，闪光同时到达前后两壁，故AB错误；CD．车旁边的乙以地面为参考系，根据狭义相对论原理，光向前后传播的速度相等，在闪光向两壁运动的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的闪光传播的路程长，到达前壁的时刻晚些，故C正确，D错误。故选C。真空中光速为c。如图为一车厢，向右作匀速直线运动，v=0.9c，车厢内中心有一光源，上方有一个接收器，车厢内可视为真空。
10．在地面上的观察者看来，光源发出的闪光（ ）
A．同时到达车厢前壁和后壁B．先到达前壁
C．不会到达前壁和后壁D．先到达后壁
11．发出闪光时，开始计时，待接收器接收后结束计时，车厢内的人计时为t1，站在地面上的人计时为t2，则（ ）
A．t1t2
12．车厢内的人测得车厢长为L，则地面上的人测得车厢长为（ ）
A．LB．C．
【答案】10．D 11．A 12．C
【解析】10．对于地面上的观察者来说，他以地面为参考系，因闪光向前、后传播的速率对地面也是相同的，在闪光飞向两璧的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些。他观测到的结果应该是：闪光先到达后壁，后到达前壁。故选D。11．根据时间延缓效应可知故选A。12．地面上的人测得车厢长为故选C。
13．（多选）对于下列运动，经典力学适用的是（ ）
A．粒子以接近光速的速度运动B．汽车在高速公路上快速行驶
C．“嫦娥五号”探测器绕月球飞行D．战斗机从“辽宁号”航母上起飞
【答案】BCD【详解】经典力学适用于宏观低速，不适用于微观高速；A．粒子以接近光速的速度运动，是高速运动，经典力学不适用，故A错误；B．汽车在高速公路上快速行驶，是宏观低速运动，经典力学适用，故B正确；C．嫦娥五号探测器绕月球飞行，是宏观低速运动，经典力学适用，故C正确；D．战斗机从辽宁号航母上起飞，是宏观低速运动，经典力学适用，故D正确。故选BCD。
14．学习了广义相对论后，某同学设想通过使空间站围绕过环心并垂直于环面的中心轴旋转，使空间站中的航天员获得“人造重力”解决太空中长期失重的问题。

(1)（多选）广义相对论的基本原理是（ ）
A．相对性原理B．光速不变原理C．等效原理D．广义相对性原理E．质能关系
(2)如图所示，空间站的环状管道外侧壁到转轴的距离为r。航天员（可视为质点）站在外侧壁上随着空间站做匀速圆周运动，为了使其受到与在地球表面时相同大小的支持力，空间站的转速应为 （地面重力加速度大小用g表示）。

【答案】(1)CD(2)
【详解】（1）广义相对论的基本原理是广义相对性原理、质能关系。故选CD。（2）当航天员随空间站一起自转且加速度为时，可以使其受到与在地球表面时相同大小的支持力，即有环形管道侧壁对航天员的支持力提供航天员绕轴匀速转动的向心力，有得所以空间站的转速应为
15．如图所示，空间站相对地面运动，地面上的观察者测得地面上光源发出的光同时到达空间站的前端和后端，则空间站中的人测得光先到达空间站 （选填“前端”或“后端”）；这两束闪光相对空间站的速度 （填“相等”或“不相等”）
【答案】 前端 相等【详解】[1][2]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空间站的前端和后端，向前传播的路程与向后传播的路程相同。由于空间站向前运动，所以点光源的到空间站的前端的距离小。空间站中的人认为，空间站是个惯性系，光向前、向后传播的速度相等，点光源的到空间站的前端的距离小，闪光先到达前端。