7.5 相对论时空观与经典力学的局限性（举一反三）【三大题型】（解析版）-2024-2025学年高一物理举一反三系列（人教版2019必修第二册）

7.5相对论时空观与经典力学的局限性【三大题型】【人教版2019】TOC\o"1-3"\h\u【题型1认识经典力学的成就和局限】 1【题型2理解狭义相对论的两个基本假设】 3【题型3长度、速度和质量相对性的理解】 7知识点1：对经典力学的认识1．成就：经典力学是以牛顿运动定律为核心的矢量力学，有时也泛指描述低速、宏观物体机械运动的经典力学体系．经典力学的建立标志着近代自然科学的诞生，形成了一个以实验为基础，以数学为表达形式的力学科学体系．2．运用范围：在弱引力的情况下，牛顿引力理论适用；在强引力的情况下，牛顿引力理论不再适用．低速运动的宏观物体，经典力学适用；而高速微观领域，经典力学不再适用，需要用相对论知识来处理．3．低速与高速：通常所见物体的运动皆为低速运动，如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等，速度可以与光速相接近的速度称为高速．知识点2：对质量和速度关系的认识质量是物体的固有属性，是相对不变的，这一结论成立的前提是物体做低速运动，但当物体的速度接近光速时，物体的运动质量m与静止质量m0可能存在较大差别．当物体运动的速度为v时，其运动质量m＝eq\f(m0,\r(1－\f(v2,c2))).【题型1认识经典力学的成就和局限】【例1】关于经典力学理论，下述说法中正确的是（）A．经典力学是过时和错误的B．经典力学适用于宏观、低速、弱引力场C．经典力学认为时空是相对的D．经典力学可以预言各种尺度下的运动【答案】B【详解】ABD．经典力学并不是过时和错误的，只是它具有相应的适用范围，即适用于宏观、低速、弱引力场，不适用于微观、高速、强引力场，所以经典力学并不能预言各种尺度下的运动，故AD错误，B正确；C．经典力学认为时空是绝对的，故C错误。故选B。【变式1-1】下列关于物理学家及其贡献的说法正确的是（）A．开普勒在牛顿的观测记录的基础上，研究总结出了行星绕太阳运动的定律B．牛顿在前人的研究基础上，总结出万有引力定律，并测出了万有引力常量C．牛顿运动定律有其局限性，仅适用于解决宏观低速问题D．爱因斯坦提出的相对论否定了牛顿的万有引力定律【答案】C【详解】A．开普勒在研究第谷的观测记录的基础上,总结出行星绕太阳运动的定律;牛顿提出来万有引力定律，解释了行星绕太阳运动的原因，A错误；B．牛顿在前人的研究基础上,总结出万有引力定律，卡文迪许测出了万有引力常量，B错误；C．牛顿运动定律有其局限性，仅适用于解决宏观低速问题，不能适用于高速、微观的粒子，C正确；D．爱因斯坦提出的相对论，并没有否定牛顿的万有引力定律，D错误。故选C。【变式1-2】下列关于力学发展的描述中符合物理学史实的是（）A．相对论的提出否定了牛顿力学B．牛顿提出光速是自然界中速度的极限C．牛顿力学能适用微观领域中的力学现象D．牛顿三大运动定律是经典力学体系的基础【答案】D【详解】A．爱因斯坦的相对论只否定了牛顿的绝对时空观，没有否定整个牛顿力学。牛顿力学是相对论力学在低速运动状态下的一个特例。牛顿力学是整个力学的基础，牛顿所创造的概念，至今仍指导着我们的物理学思想，故A错误；B．爱因斯坦提出了相对论，它认为真空中的光速是自然界中速度的极限，故B错误；C．经典力学只能解决宏观低速物体，对于微观高速物体不再适用，故C错误；D．牛顿三大运动定律是经典力学体系的基础，故D正确。故选D。【变式1-3】在科学发展的历程中，许多科学家做出了杰出的贡献，下列叙述符合史实的是（）A．第谷经过多年的天文观测，发现了行星绕太阳运动的轨道是椭圆B．牛顿力学适用于分析高速运动的μ子的寿命C．相对论的出现使经典物理学在自己的适用范围内不再继续发挥作用D．牛顿将行星与太阳、地球与月球、地球与地面物体之间的引力规律推广到宇宙中的一切物体，得出了万有引力定律【答案】D【详解】A．开普勒发现了行星绕太阳运动的轨道是椭圆，故A项错误；B．牛顿力学适用于宏观低速，而不适用于微观高速，所以牛顿力学不适用于分析高速运动的μ子的寿命，故B项错误；C．相对论的出现，使得经典物理学在微观高速的范围不再适用，但经典物理学在自己的适用范围内仍继续发挥作用，故C项错误；D．牛顿将行星与太阳、地球与月球、地球与地面物体之间的引力规律推广到宇宙中的一切物体，得出了万有引力定律，故D项正确。故选D。【题型2理解狭义相对论的两个基本假设】【例2】下列关于物理相关的常识说法正确的是（）A．伽利略通过理想斜面实验得出了“力是维持物体运动状态的原因”的结论B．米、摩尔和千克都是国际单位制中的基本单位C．牛顿提出了万有引力定律，并通过扭秤实验测量出了引力常量GD．爱因斯坦的相对论否定了牛顿力学理论，成功地解决了宏观物体的高速运动问题【答案】B【详解】A．伽利略通过理想斜面实验得出力不是维持物体运动状态的原因，故A错误；B．米、摩尔和千克都是国际单位制中的基本单位，故B正确；C．牛顿提出了万有引力定律，卡文迪许通过实验测出了引力常量，故C错误；D．爱因斯坦的相对论并没有否定牛顿力学理论，牛顿的经典力学是爱因斯坦相对论理论在低速条件下的近似，经典力学的适用于宏观、低速运动的物体，相对论适用于微观物体的高速运动问题，故D错误。故选B。【变式2-1】爱因斯坦于1905年在德国《物理年鉴》发表了论文《论动体的电动力学》，论文首先提出狭义相对论。根据狭义相对论，下列说法正确的是（）A．真空中的光速在不同惯性参考系中是不相同的B．物体在接近光速运动时，它沿运动方向上的长度会变短C．质量的测量结果与物体相对观察者的相对运动状态无关D．狭义相对论彻底推翻了牛顿的经典物理学【答案】B【详解】A．真空中的光速在不同惯性参考系中是相同的，A错误；B．根据狭义相对论的几个基本结论可得，物体在接近光速运动时，它沿运动方向上的长度会变短，B正确；C．根据狭义相对论的几个基本结论可得，质量的测量结果会随物体相对观察者的相对运动状态的改变而改变，C错误；D．相对论的出现，并没有否定经典物理学，经典物理学是相对论在低速运动条件下的特殊情形，D错误。故选B。【变式2-2】神舟十七号载人飞船与距离地面约的天宫空间站成功对接。变轨过程可简化为如图：飞船先从圆形轨道Ⅰ的A位置变轨到椭圆轨道Ⅱ，再从B位置变轨进入空间站所在的圆形轨道Ⅲ。假设空间站轨道半径为r，地球半径为R，地球表面的重力加速度为g。下列说法正确的是（）A．空间站内的航天员处于“悬浮”状态是因为他所受到合外力为零B．飞船沿椭圆轨道Ⅱ由A点到B点的时间为C．空间站的向心加速度大于赤道上的物体随地球自转的向心加速度D．根据狭义相对论原理，在轨飞行的飞船中，航天员的手表变快了【答案】C【详解】A．空间站内的航天员处于“悬浮”状态是因为他处于完全失重状态，其自身所受重力充当其随空间站一起环绕地球做圆周运动的向心力，故A错误；B．若飞船从A到B做圆周运动，且轨道半径为，则由万有引力从当向心力有解得而在地球表面有解得由此可得则从A到B的时间为但由于飞船从A到B并非做匀速圆周运动，而是椭圆运动，因此要求椭圆运动的周期必须用开普勒第三定律，且必须知道飞船做椭圆运动的半长轴，由此可知，飞船沿椭圆轨道Ⅱ由A点到B点的时间并非为，故B错误；C．同步卫星与赤道上物体的角速度相同，根据圆周运动的相关知识可知，向心加速度由于同步卫星做圆周运动的半径大于赤道上物体做圆周运动的半径，因此同步卫星的向心加速度大于赤道上物体的向心加速度，而对于环绕中心天体做圆周运动的物体，由万有引力充当向心力，可得物体环绕中心天体做圆周运动的向心加速度可知，轨道半径越大，向心加速度越小，而同步卫星的轨道半径大于空间站的轨道半径，因此同步卫星的向心加速度小于空间站的向心加速度，由此可知，空间站的向心加速度大于赤道上的物体随地球自转的向心加速度，故C正确；D．根据狭义相对论原理，在轨飞行的飞船中，航天员的手表变慢了，故D错误。故选C。【变式2-3】1905年到1915年，爱因斯坦先后发表的狭义相对论和广义相对论在20世纪改变了理论物理学和天文学，取代了主要由牛顿创立的有200年历史的力学理论。狭义相对论适用于基本粒子及其相互作用，描述了除引力以外的所有物理现象。广义相对论解释了引力定律及其与其他自然力的关系，适用于宇宙学和天体物理学领域，包括天文学。下列有关相对论的内容，说法正确的是（）A．狭义相对论的两条基本假设是不确定关系与光速不变原理B．飞船以的速度航行，若飞船向正前方的某一星球发射激光，则该星球上的观察者测量到的激光速度为C．由于相对论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值D．已知子低速运动时的平均寿命是。当它以的速度飞行，若以地面为参考系，此时子的平均寿命变长【答案】D【详解】A．狭义相对论的两条基本假设是狭义相对性原理与光速不变原理，故A项错误；B．根据狭义相对论的假设，真空中光速相对于不同的惯性参考系是相同的，即在任何地方的光速都是c，故B项错误；C．在微观高速领域，要用量子力学和相对论理论来解释，但是并不会因为相对论和量子力学的出现就否定了牛顿力学，牛顿力学仍然是正确的，故不会过时也不会失去价值，故C项错误；D．当子低速运动时的平均寿命是。当它以的速度飞行，若以地面为参考系，此时子的平均寿命变长，故D项正确。故选D。【题型3长度、速度和质量相对性的理解】【例3】如图所示，地面上A、B两处的中点处有一点光源S，甲观察者站在光源旁，乙观察者乘坐速度为v（接近光速）的火箭沿方向飞行，两观察者身边各有一个事先在地面校准了的相同的时钟，下列对相关现象的描述中，正确的是（）A．甲测得的光速为c，乙测得的光速为B．甲认为飞船中的钟变慢了，乙认为甲身边的钟变快了C．甲测得的间的距离小于乙测得的间的距离D．当光源S发生一次闪光后，甲认为A、B两处同时接收到闪光，乙则认为B先接收到闪光【答案】D【详解】A．根据爱因斯坦的光速不变原理，可知甲乙在两种不同的参考系里测出的光速都为c，故A错误；B．根据钟慢效应：运动的钟比静止的钟走得慢，而且，运动速度越快，钟走的越慢，接近光速时，钟就几乎停止了；甲认为飞船中的钟变慢了，乙认为甲身边的钟变慢了，故B错误；C．根据尺缩效应：在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短，可知甲测得的AB间的距离大于乙测得的AB间的距离，故C错误；D．当光源S发生一次闪光后，甲认为A、B两处同时接收到闪光，对乙而言，则乙认为B先接收到闪光，故D正确。故选D。【变式3-1】如图所示，位于教室中央的光源发出一个闪光，闪光照到了教室的前壁和后壁。教室的长度为。在平行于教室高速运动的太空飞船上的观察者（）A．测得照到前壁的光速度小于cB．观测到飞船上的时间进程比教室慢C．测得教室的长度小于D．观察到光同时到达前、后壁【答案】C【详解】AD．根据光速不变原理，不论光源与观察者之间做怎样的相对运动，光速都是一样的等于，教室相对于飞船向左运动，则光到前壁的路程变短，光先到达前壁，故AD错误；BC．根据爱因斯坦的相对论，可知飞太空飞船上的观察者认为看到教室中的时钟变慢，即观测到飞船上的时间进程比教室快，教室的长度变短小于，故B错误，C正确。故选C。【变式3-2】设想有一艘飞船以v＝0.8c的速度在地球上空飞行，如果这时从飞船上沿其运动方向抛出一物体，该物体相对于飞船的速度为0.9c，从地面