2023年7月9日发(作者：)

新教材 同步分层训练

第七章 万有引力与宇宙航行

7.

5相对论时空观与牛顿力学的局限性

基础知识

知识点梳理：

一、相对论时空观

1．19世纪，英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了电磁波的存在，并证明电磁波的传播速度等于光速c.

2．1887年迈克耳孙—莫雷实验以及其他一些实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的！这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符(填“相符”或“不符”).

3．爱因斯坦假设：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.

4．时间延缓效应

① 如果相对于地面以v运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ，地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt，那么两者之间的关系是Δt＝Δτv1－2c.

② Δt与Δτ的关系总有Δt＞Δτ，即物理过程的快慢(时间进程)与运动状态有关.(填“有关”或“无关”)

5．长度收缩效应：

① 如果与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以v相对杆运动的人测得杆长是l，那么两者之间的关系是l＝l0v1－2.

c② l与l0的关系总有l＜l0，即运动物体的长度(空间距离)跟物体的运动状态有关.(填“无关”或“有关”)

二、牛顿力学的成就与局限性

1．牛顿力学的成就：牛顿力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律的建立与应用更是确立了人们对牛顿力学的尊敬.

2．牛顿力学局限性：牛顿力学的适用范围是低速(填“高速”或“低速”)运动的宏观(填“宏观”或“微观”)物体.

① 当物体以接近光速运动时，有些与牛顿力学的结论不相同.

② 电子、质子、中子等微观粒子的运动不能用牛顿力学来说明.

3．牛顿力学不会被新的科学成就所否定，当物体运动的速度远小于光速c时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别.

预习基础： 一、判断题

1．判断下列说法的正误。

（1）运动的时钟显示的时间变慢，高速飞行的μ子的寿命变长。( )

（2）沿着杆的方向，相对于观察者运动的杆的长度变短。( )

（3）经典力学只适用于世界上普通的物体，研究天体的运动经典力学就无能为力了。( )

（4）洲际导弹的速度可达到6 000 m/s，在这种高速运动状态下，经典力学不适用。( )

（5）对于质子、电子的运动情况，经典力学同样适用。( )

2．判一判

（1）原子的运动能用牛顿力学描述。( )

（2）长度收缩效应是指物体的实际长度变短了。( )

二、填空题

3．牛顿力学的适用范围为：宏观、____________、____________。（关键词概括）

4．在狭义相对论中，我们把在自身静止的参考系内测得的时间称为___________，它的时间间隔是最___________的。

5．一艘太空飞船静止时的长度为30m，它以0.6c（c为光速）的速度沿长度方向飞行越过地球。地球上的观测者测得该飞船的长度____________30m，飞船发来的光信号____________c。（均选填“大于”、“等于”、“小于”）

6．按照狭义相对论的观点，在太空中“迎着”光飞行的宇宙飞船上，观察者测得的光速______c（选填“大于”、“等于”、“小于”，其中c为真空中的光速）。

巩固所学

三、单选题

7．下列说法不符合相对论的观点的是（ ）

A．时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变

B．一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度小

C．相对论认为时间和空间与物体的运动状态有关

D．当物体运动的速度v远小于c时，“长度收缩”和“时间膨胀”效果可忽略不计

8．2015年9月科学家探测到宇宙中距离我们13亿光年的两个黑洞合并而产生的引力波，填补了爱因斯坦广义相对论实验验证的最后一块“拼图”。关于相对论下列说法正确的是（ ） A．经典时空观认为时间和空间是相互关联的

B．相对于观察者运动的时钟会变慢

C．在运动的参照系中测得的光速与其运动的速度有关

D．同一物体的长度不随观察者所处参考系的变换而改变

9．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

C．爱因斯坦创立了狭义相对论

10．下列说法中正确的是（ ）

A．卡文迪许发现了万有引力定律，并测得了引力常量

B．当r趋近于零时，两个物体间的万有引力趋近于无穷大

C．牛顿证明了地面上苹果受到的重力和地球对月亮的吸引力是同一种力

D．导弹的速度可达到6000m/s，在相对论中属于高速，导弹的长度会明显缩短

11．下列叙述错误的是（ ）

．．A．古希腊哲学家亚里士多德认为物体越重，下落得越快

B．伽利略发现亚里士多德的观点有自相矛盾的地方

C．伽利略用实验直接证实了自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动

D．牛顿创立了以三大运动定律为基础的经典力学体系

能力提升

四、多选题

12．下列说法中属于牛顿力学时空观的观点的是（ ）

A．世界的过去、现在和将来都只有量的变化，而不会发生质的变化

B．时间和空间不依赖人们的意识而存在

C．时间和空间是绝对的

D．时间和空间是紧密联系、不可分割的

13．2021年1月10日消息，我国国内首款量子安全通话产品试商用。量子通讯是利用量子力学原理对量子态进行操控的一种通信形式，可以有效解决信息安全问题。关B．牛顿测出了万有引力常量

D．库仑最早测得了元电荷e的数值 于经典力学和相对论、量子力学，下列说法正确的是（ ）

A．量子力学和经典力学对宏观物体和微观粒子都是适用的

B．经典力学理论的成立具有一定的局限性

C．量子力学适用于微观粒子的运动，经典力学适用于宏观物体的运动

D．量子力学与相对论否定了经典力学理论

14．接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相同的铯原子钟，飞船和地球上的人观测这两只钟的快慢，下列说法正确的是（

）

A．飞船上的人观测到飞船上的钟较快

C．地球上的人观测到地球上的钟较快

15．以下说法正确的是（ ）

A．牛顿力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子

B．相对论与量子力学并没有否定牛顿力学理论

C．在牛顿力学中，物体的长度随运动状态而改变

D．牛顿力学理论具有一定的局限性

16．对相对论的理解正确的是（ ）

A．在不同惯性系中，物理规律的形式可能是不同的

B．在不同惯性系中，光在真空中任何方向的传播速度均相同

C．相对论时空观认为运动物体的长度与物体的运动状态无关

D．相对论时空观认为物理过程的快慢与物体的运动状态有关

B．飞船上的人观测到地球上的钟较慢

D．地球上的人观测到飞船上的钟较慢 参考答案：

1． 对 对 错 错 错

【来源】2021人教版必修第二册 第七章 7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性

导学案

【详解】略

2． 错误 错误

【来源】2023导学案必修第二册 第七章 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性（讲）

【详解】（1）原子是微观粒子，不能用牛顿力学描述，要用量子力学描述，该说法错误。

（2）长度收缩效应是因为相对运动引起的观测效应，实际长度不变，该说法错误。

3． 低速 弱相互作用

【来源】上海市嘉定区第二中学2021-2022学年高一下学期期末物理试题

【详解】[1][2]牛顿力学属于经典力学，它只适用于低速、宏观物体的运动以及引力不太强时的情况。

4． 绝对时间 长

【来源】上海市七宝中学2021-2022学年高一下学期期末物理试题

【详解】[1][2]在狭义相对论中，我们把在自身静止的参考系内测得的时间称为绝对时间，它的时间间隔是最长的。

5． 小于 等于

【来源】上海市嘉定区第二中学2021-2022学年高一下学期期末物理试题

【详解】[1]地球上的观测者测得该飞船的长度是以0.6c的速度沿长度方向飞行时长度，为

vll01()2=24m＜30m

c[2]根据狭义相对论的光速不变原理，飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度等于c。

6．等于

【来源】福建省莆田市第一中学2021-2022学年高一下学期期末物理试题

【详解】[1]根据光速不变原理，在太空中“迎着”光飞行的宇宙飞船上，观察者测得的光速等于c。

7．A

【来源】上海市嘉定第一中学2021-2022学年高一下学期期末物理试题

【详解】A．时间和空间都是相对的，没有绝对准确的时间和空间，A错误；

B．由

vll01()2

c可知

ll0

B正确；

C．狭义相对论的内容是时间和空间都与物质的运动有关，随着物质运动速度的变化而变化，C正确；

D．由尺缩效应和钟慢效应公式可知，当v远小于c时，尺缩效应和钟慢效应都可以忽略不计，D正确。

故选A。

8．B

【来源】广东省佛山市2021-2022学年高一下学期教学质量检测物理试题

【详解】A．经典时空观认为时间和空间是绝对不变的，故A错误；

B．根据钟慢效应，相对论时空观认为相对于观察者运动的时钟会变慢，故B正确；

C．根据爱因斯坦的光速不变原理可知，在所有惯性参考系中光速是恒定的，故C错误；

D．根据尺缩效应，相对论时空观认为同一物体的长度会随观察者相对参考系的运动而改变，故D错误。

故选B。

9．C

【来源】湖南省永州市2021-2022学年高一下学期期末质量监测物理试题

【详解】A．开普勒在第谷的基础上总结出了行星运动三大定律，牛顿发现了万有引力定律，故A错误；

B．卡文迪许利用扭秤测出了万有引力常量，故B错误；

C．爱因斯坦创立了狭义相对论，故C正确；

D．库仑发现了库仑定律，密立根最早测出了元电荷e的数值，故D错误。

故选C。

10．C

【来源】江苏省镇江市扬中中学2021-2022学年高一下学期期中物理试题

【详解】A．牛顿发现了万有引力定律，卡文迪许测得了引力常量，A错误；

B．当r趋近于零时，万有引力定律不再适用，B错误；

C．牛顿证明了地面上苹果受到的重力和地球对月亮的吸引力是同一种力，C正确；

D．在相对论中的高速为接近光速，导弹的速度6000m/s在相对论中属于低速，D错误；

故选C。

11．C

【来源】山东省济南外国语学校2022-2023学年高一上学期12月月考物理试题

【详解】A．重的物体下落得比轻的物体要快，这是古希腊哲学家亚里士多德的观点，A正确；

B．伽利略通过逻辑推理，发现亚里士多德的观点有自相矛盾的地方，B正确；

C．伽利略时代，还没有精确的计时仪器，只能通过滴水计时，因此不能准确测量自由落体运动的时间，伽利略通过构建斜面，冲淡重力作用，通过逻辑推理说明自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动，并没有用实验直接证实了自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动，C错误；

D．以牛顿三大运动定律为基础的经典力学体系是牛顿创立的，D准确。

本题选错误的，故选C。

12．ABC

【来源】7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性-课后练习

【详解】牛顿力学时空观认为时间和空间都是与外界事物无关的、绝对的，而相对论时空观认为时间和空间是紧密联系、不可分割的，故ABC正确，D错误。

故选ABC。

13．BC

【来源】黑龙江省鸡西市第四中学2020-2021学年高一下学期期末物理试题

【详解】A．经典力学适用于宏观低速物体的运动，不适用于微观高速微观粒子的运动，故A项错误；

B．经典力学适用于宏观低速物体的运动，所以经典力学理论的成立具有一定的局限性，故B项正确；

C．量子力学适用于微观粒子的运动，经典力学适用于宏观物体的运动，故C项正确；

D．经典力学适用于宏观低速的物体的运动，不适用于微观高速的粒子的运动，所以量子力学与相对论并没有否定了经典力学，故D项错误。

故选BC。

14．ABCD

【来源】2022 必修第二册 第七章 5 相对论时空观与牛顿力学的局限性（练）

【详解】AB．飞船上的人是以飞船为参考系，故地球是高速运动的，根据爱因斯坦质能方程的运动延时效应，飞船上的人观测到地球上的钟较慢，即飞船上的人观测到飞船上的钟较快，故AB正确；

CD．地球上的人以地球为参考系，认为飞船高速运动，同样根据爱因斯坦质能方程的运动延时效应，飞船上的钟较慢，故地球上的人观测到地球上的钟较快，故CD正确。

故选ABCD。

15．BD

【来源】2022优化方案必修二（新教材） 第七章 第5节 相对论时空观与牛顿力学的局限性 【详解】A．牛顿力学理论适用于宏观物体，不适用于微观粒子，故A错误；

B．相对论并没有否定牛顿力学，而是在其基础上发展起来的，有各自成立范围，故B正确；

C．在相对论中，物体的长度随运动状态而改变，在牛顿力学中，物体的长度与运动状态无关，故C错误；

D．牛顿力学理论具有一定的局限性，对高速微观粒子不适用，故D正确。

故选BD。

16．BD

【来源】2023导学案必修第二册 第七章 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 （练）

【详解】AB．根据相对论的两条假说，在不同的惯性系中，物理规律的形式都是相同的，在不同惯性系中，光在真空中任何方向的传播速度都相等，A错误，B正确；

CD．根据相对论时空观可知运动物体的长度以及物理过程的快慢都与物体的运动状态有关，C错误，D正确。

故选BD。