人教版高中物理必修二同步測(cè)評(píng)：第七章 第5節(jié) 相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓學(xué)的局限性

第5節(jié)相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性1．相對(duì)論時(shí)空觀(1)絕對(duì)時(shí)空觀：時(shí)間與空間都是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的，也叫eq\o(□,\s\up4(01))牛頓力學(xué)時(shí)空觀。(2)愛(ài)因斯坦假設(shè)：在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是eq\o(□,\s\up4(02))相同的；真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是eq\o(□,\s\up4(03))相同的。(3)相對(duì)論時(shí)空觀：運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度(空間距離)和物理過(guò)程的快慢(時(shí)間進(jìn)程)都跟物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)eq\o(□,\s\up4(04))有關(guān)。①時(shí)間延緩效應(yīng)：如果相對(duì)于地面以v運(yùn)動(dòng)的慣性參考系上的人觀察到與其一起運(yùn)動(dòng)的物體完成某個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為Δτ，地面上的人觀察到該物體在同一地點(diǎn)完成這個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為Δt，那么兩者之間的關(guān)系是eq\o(□,\s\up4(05))Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2))，由于1－eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2<1，所以總有Δteq\o(□,\s\up4(06))>Δτ。②長(zhǎng)度收縮效應(yīng)：如果與桿相對(duì)靜止的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l0，沿著桿的方向，以v相對(duì)桿運(yùn)動(dòng)的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l，那么兩者之間的關(guān)系是eq\o(□,\s\up4(07))l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2)，由于1－eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2<1，所以總有l(wèi)eq\o(□,\s\up4(08))<l0。2．牛頓力學(xué)的成就與局限性(1)牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)是eq\o(□,\s\up4(09))牛頓運(yùn)動(dòng)定律，它在eq\o(□,\s\up4(10))宏觀、eq\o(□,\s\up4(11))低速的領(lǐng)域里與實(shí)際相符合，但是物體在以eq\o(□,\s\up4(12))接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵從的規(guī)律，有些與牛頓力學(xué)的結(jié)論eq\o(□,\s\up4(13))并不相同。(2)電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子不僅具有eq\o(□,\s\up4(14))粒子性，同時(shí)還具有波動(dòng)性，它們運(yùn)動(dòng)的規(guī)律在很多情況下不能用牛頓力學(xué)來(lái)說(shuō)明，而eq\o(□,\s\up4(15))量子力學(xué)能夠很好地描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。(3)當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速c時(shí)(c＝3×108m/s)時(shí)，相對(duì)論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論eq\o(□,\s\up4(16))沒(méi)有區(qū)別。當(dāng)另一個(gè)重要常數(shù)即普朗克常量h可以忽略不計(jì)時(shí)(h＝6.63×10－34J·s)，量子力學(xué)和牛頓力學(xué)的結(jié)論eq\o(□,\s\up4(17))沒(méi)有區(qū)別。相對(duì)論與量子力學(xué)都沒(méi)有否定牛頓力學(xué)，而只認(rèn)為牛頓力學(xué)是它們?cè)谝欢l件下的特殊情形。典型考點(diǎn)一相對(duì)論時(shí)空觀1．一顆以0.1c的速度朝地球運(yùn)動(dòng)的星突然爆炸變?yōu)橐活w明亮的超新星，爆炸所發(fā)出的光離開(kāi)這顆超新星的速度為_(kāi)_______，在地球測(cè)量，這束光射向地球的速度為_(kāi)_______。答案3×108m/s3×108m/s解析這顆超新星和地球都可近似看成是慣性系，因在一切慣性參考系中，真空中的光速都相同的，因此光以c＝3×108m/s的速度離開(kāi)超新星，也以這個(gè)速度射向地球。2．一張宣傳畫(huà)5m見(jiàn)方，平行地貼于鐵路旁邊的墻上，一超高速列車(chē)以2×108m/s的速度接近此宣傳畫(huà)，這張畫(huà)由司機(jī)測(cè)量時(shí)的寬度為_(kāi)_______m，高度為_(kāi)_______m。答案3.75解析垂直速度方向的長(zhǎng)度不變，仍然是5m，運(yùn)動(dòng)方向上長(zhǎng)度變短，為l＝l0eq\r(1－\f(v2,c2))＝5×eq\r(1－\f(2×1082,3×1082))m≈3.7m。所以，司機(jī)看到的畫(huà)的尺寸為：高5m，寬3.7m，宣傳畫(huà)的形狀由正方形變成了長(zhǎng)方形。3.甲、乙兩人站在地面上時(shí)身高都是L0，甲、乙分別乘坐速度為0.6c和0.8c(c為光速)的飛船同向運(yùn)動(dòng)，如圖所示。此時(shí)乙觀察到甲的身高L________L0；若甲向乙揮手，動(dòng)作時(shí)間為t0，乙觀察到甲動(dòng)作時(shí)間為t1，則t1________t0。(均選填“＞”“＝”或“＜”)答案＝>解析因?yàn)槿苏玖r(shí)是垂直于飛船速度方向的，沒(méi)有長(zhǎng)度收縮效應(yīng)，身高L＝L0；乙比甲運(yùn)動(dòng)得快，故根據(jù)相對(duì)論的時(shí)間延緩效應(yīng)，t1>t0。4．設(shè)想飛船在甲、乙兩個(gè)相距8億千米的星球間飛行，甲、乙兩星球及飛船上各有一個(gè)巨大的鐘，現(xiàn)飛船相對(duì)星球以0.75c(c是真空中光速)的速度離開(kāi)甲星球飛向乙星球，飛船經(jīng)過(guò)甲星球時(shí)，三個(gè)鐘均調(diào)整指到3：00整。則當(dāng)飛船飛過(guò)乙星球的瞬間，飛船內(nèi)的人看到乙星球上的鐘指向的時(shí)間為_(kāi)_______，看到飛船上的鐘指向的時(shí)間為_(kāi)_______。答案4：003：40解析在乙星球的觀察者看來(lái)，飛船飛越的時(shí)間為：t＝eq\f(8×1011,0.75×3.0×108)s≈3600s＝1h所以，飛船內(nèi)的人看到乙星球上的鐘指到4：00整。在飛船內(nèi)的觀察者看來(lái)，飛船飛越的時(shí)間t′為：t′＝teq\r(1－\f(v2,c2))＝1×eq\r(1－0.752)h≈0.66h≈40min所以，飛船內(nèi)的人看到飛船上的鐘指到3：40。典型考點(diǎn)二牛頓力學(xué)的成就與局限性5．(多選)下面說(shuō)法中正確的是()A．當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，相對(duì)論物理學(xué)和牛頓力學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別B．當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速度接近光速時(shí)，相對(duì)論物理學(xué)和牛頓力學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別C．當(dāng)普朗克常量h可以忽略不計(jì)時(shí)(h＝6.63×10－34J·s)，量子力學(xué)和牛頓力學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別D．當(dāng)普朗克常量h不能忽略不計(jì)時(shí)(h＝6.63×10－34J·s)，量子力學(xué)和牛頓力學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別答案AC解析牛頓力學(xué)可以認(rèn)為是相對(duì)論物理學(xué)在低速(遠(yuǎn)小于光速)狀態(tài)下的特例，是量子力學(xué)在宏觀(h可以忽略不計(jì))狀態(tài)下的特例，A、C正確。6．(多選)以下說(shuō)法正確的是()A．牛頓力學(xué)理論普遍適用，大到天體，小到微觀粒子均適用B．牛頓力學(xué)理論的成立具有一定的局限性C．在牛頓力學(xué)中，物體的長(zhǎng)度不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變而改變D．相對(duì)論與量子力學(xué)否定了牛頓力學(xué)理論答案BC解析牛頓力學(xué)理論只適用于宏觀、低速運(yùn)動(dòng)的物體，A錯(cuò)誤；牛頓力學(xué)只在一定條件下適用，具有一定局限性，B正確；牛頓力學(xué)研究的是低速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，物體的長(zhǎng)度變化很小，可以認(rèn)為不變，C正確；相對(duì)論和量子力學(xué)并沒(méi)有否定牛頓力學(xué)，認(rèn)為牛頓力學(xué)是在一定條件下的特殊情形，D錯(cuò)誤。1．(多選)下列說(shuō)法中屬于牛頓力學(xué)時(shí)空觀的觀點(diǎn)的是()A．世界的過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)都只有量的變化，而不會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化B．時(shí)間和空間不依賴(lài)人們的意識(shí)而存在C．時(shí)間和空間是絕對(duì)的D．時(shí)間和空間是緊密聯(lián)系、不可分割的答案ABC解析牛頓力學(xué)時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間都是與外界事物無(wú)關(guān)的、絕對(duì)的，A、B、C屬于牛頓力學(xué)時(shí)空觀；D屬于相對(duì)論時(shí)空觀。2．下列說(shuō)法正確的是()A．牛頓力學(xué)能夠說(shuō)明微觀粒子的規(guī)律性B．牛頓力學(xué)適用于宏觀物體的低速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，不適用于高速運(yùn)動(dòng)的物體C．相對(duì)論與量子力學(xué)的出現(xiàn)，說(shuō)明牛頓力學(xué)已失去意義D．對(duì)于宏觀物體的高速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，牛頓力學(xué)仍適用答案B解析牛頓力學(xué)適用于宏觀、低速運(yùn)動(dòng)的物體，不適用于高速運(yùn)動(dòng)的物體，也不能說(shuō)明微觀粒子的規(guī)律性，相對(duì)論與量子力學(xué)的出現(xiàn)，是一種完善和拓展，牛頓力學(xué)并沒(méi)有失去其存在的意義，B正確，A、C、D錯(cuò)誤。3．如圖所示，強(qiáng)強(qiáng)乘坐速度為0.9c(c為光速)的宇宙飛船追趕正前方的壯壯，壯壯的飛行速度為0.5c，強(qiáng)強(qiáng)向壯壯發(fā)出一束光進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，則壯壯觀測(cè)到該光束的傳播速度為()A．0.4c B．0.5cC．0.9c D．c答案D解析真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，可知D正確，A、B、C錯(cuò)誤。4．一列火車(chē)以接近光速的速度從我們身邊飛駛而過(guò)，我們會(huì)感到車(chē)廂、車(chē)窗變窄了，而車(chē)廂、車(chē)窗的高度并沒(méi)有變化，那么車(chē)廂內(nèi)的人看路旁的電線桿間距將會(huì)()A．變窄 B．變寬C．不變 D．都有可能答案A解析火車(chē)相對(duì)地面以接近光速的速度向前飛駛，如果以火車(chē)為參考系，地面向后飛駛，根據(jù)長(zhǎng)度收縮效應(yīng)知電線桿間距變窄，A正確。5.如圖所示，沿平直鐵路線有間距相等的三座鐵塔A、B和C，假想有一列車(chē)沿AC方向以接近光速行駛，當(dāng)鐵塔B發(fā)出一個(gè)閃光，列車(chē)上的觀察者測(cè)得A、C兩鐵塔被照亮的順序是()A．同時(shí)被照亮 B．A先被照亮C．C先被照亮 D．無(wú)法判斷答案C解析列車(chē)上的觀察者看到的是由B發(fā)出后經(jīng)過(guò)A和C反射的光，由于列車(chē)在這段時(shí)間內(nèi)向C運(yùn)動(dòng)，靠近C而遠(yuǎn)離A，所以C的反射光先到達(dá)列車(chē)上的觀察者，觀察者測(cè)得C先被照亮，故C正確。6．如圖所示，有三個(gè)完全相同的時(shí)鐘，時(shí)鐘A放在地面上，時(shí)鐘B、C分別放在兩個(gè)火箭上，兩個(gè)火箭分別以速度vB和vC朝同一方向飛行，vB<vC，對(duì)于地面上的觀察者來(lái)說(shuō)，以下說(shuō)法中正確的是()A．時(shí)鐘A走得最慢 B．時(shí)鐘B走得最慢C．時(shí)鐘C走得最慢 D．時(shí)鐘C走得最快答案C解析根據(jù)相對(duì)論的時(shí)空觀，運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢，時(shí)鐘C的速度最大，時(shí)鐘C走得最慢，C正確，A、B、D錯(cuò)誤。7．如果一觀察者測(cè)得運(yùn)動(dòng)著的米尺長(zhǎng)0.5m(米尺的靜止長(zhǎng)度為1m)，則此尺相對(duì)于觀察者的速度為_(kāi)_______。答案2.6×108m/s解析由l＝l0eq\r(1－\f(v2,c2))得：v＝ceq\r(1－\f(l2,l\o\al(2,0)))＝ceq\r(1－0.52)≈0.87c≈2.6×108m/s。8．半人馬星座α星是離太陽(yáng)系最近的恒星，它距地球?yàn)?.3×1016m，設(shè)有一宇宙飛船自地球往返于半人馬星座α星之間，若宇宙飛船的速度為0.999c，按地球上的時(shí)鐘計(jì)算，飛船往返一次需多長(zhǎng)時(shí)間？如以飛船上的時(shí)鐘計(jì)算，往返一次的時(shí)間又為多長(zhǎng)？答案9年0.4年解析以地球上的時(shí)鐘計(jì)算：Δt＝eq\f(s,v)＝eq\f(2×4.3