高中物理必修二75相對論時空觀與牛頓力學的局限性（解析版）

1、21世紀教育網(wǎng) 精品試卷第 PAGE 2 頁 （共 NUMPAGES 2 頁）7.5相對論時空觀與牛頓力學的局限性【學習目標】1知道以牛頓運動定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學的適用范圍。2知道相對論、量子力學和經(jīng)典力學的關(guān)系。3通過對牛頓力學適用范圍的討論，使學生知道物理中的結(jié)論和規(guī)律一般都有其適用范圍，認識知識的變化性和無窮性，培養(yǎng)獻身于科學的時代精神【知識要點】一、相對論時空觀1、19世紀,英國物理學家麥克斯韋根據(jù)電磁場理論預言了電磁波的存在,并證明了電磁波的速度等于光速C。2、1887年的邁克耳孫莫雷實驗以及其他一些實驗表明:在不同參考系中,光的傳播速度都是一樣的。3、狹義相對論的兩個基本假設(shè)愛因斯

2、坦相對性原理:在不同的參考系中,一切物理規(guī)律都是相同)光速不變原理:真空中的光速在不同的參考系中都是相同的。4、相對論時空觀時間的相對性鐘慢效應(yīng)時間的相對性符合以下規(guī)律:式中t，是運動體中的觀察者觀察到的時間間隔,t 是地面上的觀察者觀察到的時間間隔。由于,所以 t，t,即運動體中的觀察者觀察到的時間間隔變短了,從地面上觀察運動物體的時間變慢了。這就是所謂的鐘慢效應(yīng)。空間的相對性尺縮效應(yīng)空間的相對性符合以下規(guī)律:中L，是運動體中的觀察者測得的長度,L 是地面上的觀察者測得的長度。由于，所以LL，,即地面上的觀察者觀察到運動物體的長度變短了。這就是所謂的尺縮效應(yīng)二、牛頓力學的成就和局限性1、成就

3、:牛頓力學的基礎(chǔ)是牛頓運動定律,牛頓運動定律和萬有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊領(lǐng)域,包括天體力學的研究中接受了實踐的檢驗,取得了巨大的成就。2、局限性:牛頓力學能夠精確的描述宏觀物體的運動規(guī)律,但對微觀粒子的波粒二象性無能力,量子力學能夠正確地描述微觀粒子運動的規(guī)律性。3、經(jīng)典力學適用范圍只能用于宏觀、低速（與光速相比)的情形,且只在慣性參考系中成立?！绢}型分類】題型一、相對論時空觀例1 1905年愛因斯坦提出了狹義相對論，狹義相對論的出發(fā)點是以兩條基本假設(shè)為前提的，這兩條基本假設(shè)是（ ）A同時的絕對性與同時的相對性B運動的時鐘變慢與運動的尺子縮短C時間間隔的絕對性與空間距離的絕對性D相

4、對性原理與光速不變原理【答案】D【解析】愛因斯坦提出的狹義相對論兩條基本假設(shè)是： 相對性原理與光速不變原理，其他內(nèi)容均建立在這兩點的基礎(chǔ)之上；故選D。例2對相對論的基本認識，下列說法正確的是A相對論認為：真空中的光速在不同慣性參考系中都是相同的B愛因斯坦通過質(zhì)能方程闡明了質(zhì)量就是能量C在高速運動的飛船中的宇航員會發(fā)現(xiàn)飛船中的鐘走得比地球上快D我們發(fā)現(xiàn)豎直向上高速運動的球在水平方向上變扁了【答案】A【解析】A相對論認為：真空中的光速在不同的慣性系中都是相同的，故A正確B由可知，質(zhì)量與能量相互聯(lián)系，但質(zhì)量與能量是兩個不同的物理量，不能說質(zhì)量就是能量，能量就是質(zhì)量，故B錯誤；C在高速運動的飛船中的宇

5、航員會發(fā)現(xiàn)飛船中的鐘走得比地球上慢故C錯誤；D我們發(fā)現(xiàn)豎直向上高速運動的球，水平方向上沒有變化，豎直方向變短了，故D錯誤；故選A例3以下關(guān)于相對論的說法，正確的是A觀察者與光源相向運動時，觀測到的光速大于m/sB在不同的慣性系中觀測同一物體，尺寸都相同C對于同一個物理過程經(jīng)歷的時間，在任何慣性系中觀測結(jié)果都相同D當物體相對某一慣性系高速運動時，其質(zhì)量的觀測值與速度大小有關(guān)【答案】D【解析】根據(jù)狹義相對論，真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，與光源和觀察者的運動無關(guān)，故A錯誤；在不同的慣性系中測量同一物體的長度，測量值是不同的，故B錯誤；對于同一個物理過程經(jīng)歷的時間，在不同慣性系中觀測結(jié)

6、果是不相同的，選項C錯誤；當物體相對某一慣性系高速運動時，其質(zhì)量的觀測值與速度大小有關(guān)，選項D正確；故選D?！就惥毩暋?.如圖所示，慣性系S中有一邊長為l的正方形，從相對S系沿x方向以接近光速的勻速飛行器上測得該正方形的圖像是（ ）ABCD【答案】C【解析】正方形從相對S系沿x方向以接近光速勻速飛行的飛行器上運動，根據(jù)相對論效應(yīng)可知，沿x軸方向正方形邊長縮短，而沿y軸方向正方形邊長沒有改變，則其形狀變成長方形。故選項C正確。2用相對論的觀點判斷下列說法是否正確（ ）A時間和空間都是絕對的，在任何參考系中一個事件發(fā)生的時間和一個物體的長度總不會改變B在地面上的人看來，以的速度升空的火箭中的時鐘

7、會變快，但是火箭中的宇航員卻看到時鐘可能是準確的C在地面上的人看來，以的速度升空的火箭在運動方向上會變短，而火箭中的宇航員卻感覺到地面上的人看起來比飛船中的人扁一些D當物體運動的速度時，“時間膨脹”和“長度收縮”效果可忽略不計【答案】CD【解析】A經(jīng)典力學理論的觀點認為時間和空間都是絕對的，在任何參考系中一個事件發(fā)生的時間和一個物體的長度總不會改變；而相對論的觀點認為時間和空間都是相對的，在不同的參考系中一個事件發(fā)生的時間和一個物體的長度會發(fā)生改變，故錯誤B根據(jù)時間間隔的相對性：可知，時間延緩效應(yīng)，因此地面上的人看飛船中的時鐘會變慢，但是飛船中的宇航員卻看到時鐘是準確的，故B錯誤；C根據(jù)長度的

8、相對性：，可知，在運動方向上長度縮短，所以在地面上的人看來，以km/s的速度運動的飛船在運動方向上會變窄，而飛船中的航天員卻感到地面上的人看起來比飛船中的人扁一些，故C正確；D當?shù)退俸暧^物體時，vc時，tt，ll0，可知“時間膨脹”和“長度收縮”效果可忽略不計，故D正確。題型二、牛頓力學的局限性例3經(jīng)典力學只適用于“宏觀世界”，這里的“宏觀世界”是指( )A行星、恒星、星系等巨大的物質(zhì)領(lǐng)域B地球表面上的物質(zhì)世界C人眼能看到的物質(zhì)世界D不涉及分子、原子、電子等微觀粒子的物質(zhì)世界答案：D例4通過一個加速裝置對電子加一很大的恒力，使電子從靜止開始加速，則對這個加速過程，下列描述正確的是( )A根據(jù)牛

9、頓第二定律，電子將不斷做勻加速直線運動B電子先做加速運動，后以光速做勻速直線運動C電子開始先近似于勻加速運動，后來質(zhì)量增大，牛頓運動定律不再適用D電子是微觀粒子，整個加速過程根本就不能用牛頓運動定律解釋答案：C【同類練習】1.關(guān)于經(jīng)典力學、狹義相對論和量子力學，下列說法中正確的是( )A狹義相對論和經(jīng)典力學是相互對立的、互不相容的兩種理論；B在物體高速運動時，物體的運動規(guī)律遵循狹義相對論，在低速運動時，物體的運動遵循牛頓運動定律；C經(jīng)典力學適用于宏觀物體的運動，量子力學適用于微觀粒子的運動；D不論是宏觀物體，還是微觀粒子，經(jīng)典力學和量子力學都是適用的。答案：BC【成果鞏固訓練】1以下說法錯誤的

10、是A愛因斯坦提出光子說成功地解釋了光電效應(yīng)，說明光具有粒子性B光的波長越大，光子能量越小C以不同的慣性系觀察同一物體的運動，物體的加速度可能不同，但速度一定相同D光既有波動性，有具有粒子性，二者并不矛盾【答案】C【解析】A愛因斯坦提出光子說成功地解釋了光電效應(yīng)，說明光具有粒子性，選項A正確，不符合題意；B根據(jù) 可知，光的波長越大，光子能量越小，選項B正確，不符合題意；C根據(jù)相對論原理，以不同的慣性系觀察同一物體的運動，物體的加速度和速度都不相同，選項C錯誤，符合題意；D光既有波動性，又具有粒子性，光具有波粒二象性，故D正確，不符合題意故選C.2下列說法正確的是（ ）A以牛頓運動定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典

11、力學因其局限性而沒有存在的價值B物理學的發(fā)展，使人們認識到經(jīng)典力學有它的適用范圍C相對論和量子力學的出現(xiàn)，是對經(jīng)典力學的全盤否定D經(jīng)典力學對處理高速運動的宏觀物體具有相當高的實用價值【答案】B【解析】牛頓運動定律能夠解決宏觀物體的低速運動問題，在生產(chǎn)、生活及科技方面起著重要作用；解決問題時雖然有一定誤差，但誤差極其微小，可以忽略不計；故經(jīng)典力學仍可在一定范圍內(nèi)適用雖然相對論和量子力學更加深入科學地認識自然規(guī)律，它是科學的進步，但并不表示對經(jīng)典力學的否定，故選項B正確A、C錯誤；經(jīng)典力學不能用于處理高速運行的物體；故D錯誤故選B3愛因斯坦相對論的提出,是物理學思想的重大革命,因為它( )A揭示了

12、時間、空間并非絕對不變的屬性B借鑒了法國科學家拉瓦錫的學說C否定了牛頓力學的原理D修正了能量、質(zhì)量互相轉(zhuǎn)化的理論【答案】A【解析】A運動的鐘變慢，運動的尺縮短，運動物體的質(zhì)量變大，這是狹義相對論的幾個重要的效應(yīng)，揭示了時間、空間并非絕對不變的屬性，A正確；B愛因斯坦相對論借鑒法國科學家拉瓦錫的學說，但“借鑒”不等于“革命”，故B錯誤；C直接說“否定了牛頓力學的原理”是沒有一分為二的認識，愛因斯坦相對論解釋了經(jīng)典牛頓力學不能解釋的高速、微觀范圍，但狹義相對論在狹義相對性原理的基礎(chǔ)上統(tǒng)一了牛頓力學和麥克斯韋電動力學兩個體系，指出它們都服從狹義相對性原理，即沒有否定牛頓力學的原理，C錯誤；D狹義相對

13、論給出了物體在高速運動下的運動規(guī)律并提示了質(zhì)量與能量相當，修正了能量、質(zhì)量互相轉(zhuǎn)化的理論，但“修正”也算不上革命。故D錯誤。故選：A。4建立經(jīng)典電磁場理論，并預言了電磁波存在的物理學家和創(chuàng)立相對論的科學家分別是()A麥克斯韋法拉第B麥克斯韋愛因斯坦C赫茲愛因斯坦D法拉第麥克斯韋【答案】B【解析】【詳解】在19世紀60年代建立經(jīng)典電磁場理論，并預言了電磁波存在的物理學家是麥克斯韋，創(chuàng)立相對論的科學家是愛因斯坦A麥克斯韋、法拉第，與結(jié)論不相符，選項A錯誤；B麥克斯韋、愛因斯坦，與結(jié)論相符，選項B正確；C赫茲、愛因斯坦，與結(jié)論不相符，選項C錯誤；D法拉第、麥克斯韋，與結(jié)論不相符，選項D錯誤；故選B。

14、5牛頓把天體運動與地上物體的運動統(tǒng)一起來，創(chuàng)立了經(jīng)典力學。隨著近代物理學的發(fā)展，科學實驗發(fā)現(xiàn)了許多經(jīng)典力學無法解釋的事實，關(guān)于經(jīng)典力學的局限性，下列說法正確的是A火車提速后，有關(guān)速度問題不能用經(jīng)典力學來處理B由于經(jīng)典力學有局限性，所以一般力學問題都用相對論來解決C經(jīng)典力學適用于宏觀、低速運動的物體D經(jīng)典力學只適用于像地球和太陽那樣大的宏觀物體【答案】C【解析】A、火車提速后的速度仍然遠小于光速,有關(guān)速度問題仍然能用經(jīng)典力學來處理.故A錯誤;B、相對論并沒有否定經(jīng)典力學,而是在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,有各自成立范圍;經(jīng)典力學是狹義相對論在低速 條件下的近似,因此經(jīng)典力學包含于相對論之中,經(jīng)典力學是相

15、對論的特例,故B錯誤;C、經(jīng)典力學適用于宏觀、低速運動的物體,不僅僅適用于像地球和太陽那樣大的宏觀物體,象乒乓球、籃球、飛鳥等也可以使用.所以C選項是正確的,D錯誤.綜上所述本題答案是：C6用相對論的觀點判斷下列說法正確的是 （ ）A時間和空間都是絕對的，在任何參考系中一個事件發(fā)生的時間和一個物體的長度總不會改變B狹義相對論認為在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律是不同的C在地面上的人看來，以3km/s的速度升空的火箭在運動方向上會變短，而火箭中的宇航員卻感覺到地面上的人看起來比飛船中的人矮一些D無論物體如何運動，物體的質(zhì)量總是不變的【答案】C【解析】時間和物體的存在有關(guān)，長度與物體的速度有關(guān)，

16、空間也與物體的存在有關(guān)，即物體的運動速度使空間發(fā)生了變形，A錯誤狹義相對論認為在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律是相同的，B錯誤，在地面上的人看來，以3km/s的速度升空的火箭在運動方向上會變短，而火箭中的宇航員卻感覺到地面上的人看起來比飛船中的人矮一些,C正確物體的質(zhì)量跟物體的運動速度有關(guān)，所以D錯誤7你現(xiàn)在正在完成100分鐘的期末物理考試，假設(shè)一艘飛船相對你以0.3C的速度勻速飛過（C為真空中的光速），則飛船上的觀察者根據(jù)相對論認為你考完這場考試所用時間A大于100分鐘B等于100分鐘C小于100分鐘D不能確定【答案】A【解析】根據(jù)狹義相對論可知，飛船相對此考生以0.3c的速度勻速飛過時，

17、飛船上的觀察者認為此考生考完這場考試所用的時間，可知飛船上的觀察者認為此考生考完這場考試所用的時間大于100分鐘選項A正確故選A8對相對論的基本認識，下列說法正確的是A相對論認為：真空中的光速在不同慣性參考系中都是相同的B愛因斯坦通過質(zhì)能方程闡明了質(zhì)量就是能量C在高速運動的飛船中的宇航員會發(fā)現(xiàn)飛船中的鐘走得比地球上快D我們發(fā)現(xiàn)豎直向上高速運動的球在水平方向上變扁了【答案】A【解析】A相對論認為：真空中的光速在不同的慣性系中都是相同的，故A正確B由可知，質(zhì)量與能量相互聯(lián)系，但質(zhì)量與能量是兩個不同的物理量，不能說質(zhì)量就是能量，能量就是質(zhì)量，故B錯誤；C在高速運動的飛船中的宇航員會發(fā)現(xiàn)飛船中的鐘走得比地球上慢故C錯誤；D我們發(fā)現(xiàn)豎直向上高速運動的球，水平方向上沒有變化，豎直方向變短了，故D錯誤；故選A9與相對論有關(guān)的問題，下列說法正確的是（ ）A火箭內(nèi)有一時