人教版 (2019)必修第二冊(cè)5 相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性學(xué)案設(shè)計(jì)-學(xué)案下載-教習(xí)網(wǎng)

2．知道光速不變?cè)?，?huì)用長(zhǎng)度收縮效應(yīng)和時(shí)間延緩效應(yīng)分析問(wèn)題。
3．認(rèn)識(shí)牛頓力學(xué)的局限性，體會(huì)人類對(duì)自然界的探索是不斷深入的。
相對(duì)論時(shí)空觀
1．愛(ài)因斯坦的兩個(gè)假設(shè)
(1)在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的。
(2)真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的。
2．時(shí)間和空間的相對(duì)性
(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Δt＝Δτ1-vc2。
由于物體的速度不可能達(dá)到光速，所以1－vc2＜1，總有Δt>Δτ，此種情況稱為時(shí)間延緩效應(yīng)。
(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，以速度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l＝l01-vc2。
由于1－vc2vc。在地面上的人看來(lái)，關(guān)于時(shí)鐘快慢的說(shuō)法正確的是( )
A．B鐘最快，C鐘最慢 B．A鐘最快，C鐘最慢
C．C鐘最快，B鐘最慢D．A鐘最快，B鐘最慢
D [根據(jù)相對(duì)論的時(shí)間延緩效應(yīng)可知，速度越大，鐘走得越慢，D正確。]
4．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“＜”)
[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)可知t1>t0。
[答案] ＝ >
回歸本節(jié)知識(shí)，自我完成以下問(wèn)題：
1．愛(ài)因斯坦兩個(gè)假設(shè)的內(nèi)容是什么？
提示：(1)在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的。
(2)真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的。
2．狹義相對(duì)論的兩個(gè)效應(yīng)是什么？
提示：(1)時(shí)間延緩效應(yīng)：運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘會(huì)變慢，即Δt＝Δτ1-v2c2。
(2)長(zhǎng)度收縮效應(yīng)：運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度l會(huì)收縮，即l＝l01-v2c2。
課時(shí)分層作業(yè)(十二)
題組一相對(duì)論時(shí)空觀
1．下列屬于狹義相對(duì)論基本假設(shè)的是：在不同的慣性系中( )
A．真空中光速不變
B．時(shí)間間隔具有相對(duì)性
C．物體的質(zhì)量不變
D．物體的能量與質(zhì)量成正比
A [狹義相對(duì)論的基本假設(shè)有：(1)狹義相對(duì)論的相對(duì)性原理——在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的；(2)光速不變?cè)怼獙?duì)任意慣性參考系，真空中的光速都相等，A正確。]
2．如圖所示，沿平直鐵路線有間距相等的三座鐵塔A、B和C。假想有一列車沿AC方向接近光速行駛，當(dāng)鐵塔B發(fā)出一個(gè)閃光時(shí)，列車上的觀察者看到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
C [因列車沿AC方向接近光速行駛，故它靠近C遠(yuǎn)離A，所以光由B出發(fā)后，C的反射光先到達(dá)列車上的觀察者，所以觀察者看到C先被照亮，故C正確。]
3．(多選)接近光速飛行的飛船上和地球上各有一只相同的銫原子鐘，飛船和地球上的人觀測(cè)這兩只鐘的快慢，下列說(shuō)法正確的有( )
A．飛船上的人觀測(cè)到飛船上的鐘較快
B．飛船上的人觀測(cè)到飛船上的鐘較慢
C．地球上的人觀測(cè)到地球上的鐘較快
D．地球上的人觀測(cè)到地球上的鐘較慢
AC [飛船上的人觀察鐘表時(shí)，是以飛船為參考系，看到地球上的鐘表在高速運(yùn)動(dòng)，觀察到地球上的鐘慢，即飛船上的鐘快，A正確，B錯(cuò)誤；同理地球上的人是以地球?yàn)閰⒖枷?，觀察結(jié)果是地球上的鐘快，即飛船上的鐘慢，C正確，D錯(cuò)誤。]
4．如果航天員以接近于光速的速度朝某一星體飛行。下列說(shuō)法正確的是( )
A．航天員根據(jù)自己的質(zhì)量在增加發(fā)覺(jué)自己在運(yùn)動(dòng)
B．航天員根據(jù)自己的心臟跳動(dòng)在慢下來(lái)發(fā)覺(jué)自己在運(yùn)動(dòng)
C．航天員根據(jù)自己在變小發(fā)覺(jué)自己在運(yùn)動(dòng)
D．航天員永遠(yuǎn)不能由自身的變化知道自己的速度
D [根據(jù)狹義相對(duì)論知識(shí)可知，航天員以飛船為慣性系，其相對(duì)于慣性系的速度始終為零，因此他不可能發(fā)現(xiàn)自身變化，也不能由自身變化知道自己的速度，故D正確。]
5．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)到該光速的傳播速度為( )
A．0.4c B．0.9c C．1.0c D．1.4c
C [根據(jù)光速不變?cè)恚谝磺袘T性參考系中測(cè)量到真空中的光速c都一樣，而壯壯所處參考系即為慣性參考系，因此壯壯觀測(cè)到的光速為1.0c，故C正確，A、B、D錯(cuò)誤。]
題組二牛頓力學(xué)的局限性
6．物理學(xué)史上許多物理學(xué)家的科學(xué)研究推動(dòng)了人類文明的進(jìn)程，關(guān)于相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性，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，仍能適用于宏觀物體的高速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題
B．相對(duì)論與量子力學(xué)的出現(xiàn)否定了牛頓力學(xué)，表示牛頓力學(xué)已失去意義
C．牛頓力學(xué)并不等于牛頓運(yùn)動(dòng)定律，牛頓運(yùn)動(dòng)定律只是牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)
D．牛頓力學(xué)在現(xiàn)代廣泛應(yīng)用，它的正確性無(wú)可懷疑，仍是普遍適用的
C [牛頓力學(xué)具有一定的局限性，只能適用于宏觀、低速運(yùn)動(dòng)的物體，而對(duì)于微觀、高速運(yùn)動(dòng)的物體則不適用，并不具有普遍性，故A、D錯(cuò)誤；相對(duì)論與量子力學(xué)的出現(xiàn)并未否定牛頓力學(xué)，而是補(bǔ)充了牛頓力學(xué)的不足，它們并不能替代牛頓力學(xué)的地位，故B錯(cuò)誤；牛頓力學(xué)并不等于牛頓運(yùn)動(dòng)定律，牛頓運(yùn)動(dòng)定律只是牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)，故C正確。]
7．(多選)下列服從牛頓力學(xué)規(guī)律的是( )
A．自行車、汽車、火車、飛機(jī)等交通工具的運(yùn)動(dòng)
B．發(fā)射導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船
C．以接近光速飛行的μ子的運(yùn)動(dòng)
D．地殼的變動(dòng)
ABD [牛頓力學(xué)適用于宏觀、低速運(yùn)動(dòng)的物體，所以A、B、D正確；當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)的速率接近于光速時(shí)，牛頓力學(xué)就不適用了，故C錯(cuò)誤。]
8．(多選)2021年1月10日消息，我國(guó)國(guó)內(nèi)首款量子安全通話產(chǎn)品試商用。量子通信是利用量子力學(xué)原理對(duì)量子態(tài)進(jìn)行操控的一種通信形式，可以有效解決信息安全問(wèn)題。關(guān)于牛頓力學(xué)和相對(duì)論、量子力學(xué)，下列說(shuō)法正確的是( )
A．量子力學(xué)和牛頓力學(xué)對(duì)宏觀物體和微觀粒子都是適用的
B．牛頓力學(xué)理論的成立具有一定的局限性
C．量子力學(xué)適用于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)，牛頓力學(xué)適用于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)
D．量子力學(xué)與相對(duì)論否定了牛頓力學(xué)理論
BC [牛頓力學(xué)適用于宏觀低速物體的運(yùn)動(dòng)，不適用于微觀高速粒子的運(yùn)動(dòng)，故A錯(cuò)誤，C正確；牛頓力學(xué)適用于宏觀低速物體的運(yùn)動(dòng)，所以牛頓力學(xué)理論的成立具有一定的局限性，故B正確；牛頓力學(xué)適用于宏觀低速的物體的運(yùn)動(dòng)，不適用于微觀高速粒子的運(yùn)動(dòng)，所以量子力學(xué)與相對(duì)論并沒(méi)有否定牛頓力學(xué)，故D錯(cuò)誤。]
9．有兄弟兩個(gè)，哥哥乘坐宇宙飛船以接近光的速度離開(kāi)地球去遨游太空，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間返回地球，哥哥驚奇地發(fā)現(xiàn)弟弟比自己要蒼老許多，則該現(xiàn)象的科學(xué)解釋是( )
A．哥哥在太空中發(fā)生了基因突變，停止生長(zhǎng)了
B．弟弟思念哥哥而加速生長(zhǎng)了
C．由相對(duì)論可知，物體速度越大，其時(shí)間進(jìn)程就越慢，生理過(guò)程也越慢
D．這是神話，科學(xué)無(wú)法解釋
C [根據(jù)相對(duì)論的時(shí)間延緩效應(yīng)，當(dāng)飛船速度接近光速時(shí)，時(shí)間會(huì)變慢，時(shí)間延緩效應(yīng)對(duì)生命過(guò)程、化學(xué)反應(yīng)等也是成立的，飛船運(yùn)行的速度越大，時(shí)間延緩效應(yīng)越明顯，人體新陳代謝越緩慢，故C正確。]
10．宇宙飛船以速度v相對(duì)地面做勻速直線飛行。某一時(shí)刻，飛船頭部的航天員向飛船尾部發(fā)出一光訊號(hào)，光速為c，經(jīng)Δt(飛船上的鐘測(cè)量)時(shí)間后，被尾部接收器收到。由此可知飛船固有長(zhǎng)度為( )
A．cΔt B．vΔt
C．cΔt1-vc2D．cΔt/1-vc2
A [根據(jù)光速不變?cè)恚芍庖怨馑賑傳播，在飛船參考系中，可得飛船的固有長(zhǎng)度L0＝cΔt，故A正確。]
11．半人馬星座α星是離太陽(yáng)系最近的恒星，它距地球?yàn)?.3×1016 m。設(shè)有一宇宙飛船自地球往返于半人馬星座α星之間。
(1)若宇宙飛船的速率為0.999c，按地球上時(shí)鐘計(jì)算，飛船往返一次需要時(shí)間為_(kāi)_______s。
(2)如以飛船上時(shí)鐘計(jì)算，往返一次的時(shí)間為_(kāi)_____s。
[解析] (1)由于題中恒星與地球的距離s和宇宙飛船的速度v均是地球上的觀察者測(cè)量的，故飛船往返一次，地球時(shí)鐘所測(cè)時(shí)間間隔Δt＝2sv≈2.87×108 s。
(2)可從相對(duì)論的時(shí)間延緩效應(yīng)考慮，把飛船離開(kāi)地球和回到地球視為兩個(gè)事件，顯然飛船上的鐘測(cè)出兩事件的時(shí)間間隔Δt′是固定的，地球上所測(cè)的時(shí)間間隔Δt與Δt′之間滿足時(shí)間延緩效應(yīng)的關(guān)系式。以飛船上的時(shí)鐘計(jì)算，飛船往返一次的時(shí)間間隔為Δt′＝Δt1-v2c2≈1.28×107 s。
[答案] (1)2.87×108 (2)1.28×107
12．在某慣性系中測(cè)得相對(duì)該慣性系靜止的立方體的邊長(zhǎng)為L(zhǎng)0，另一慣性系以相對(duì)速度v平行于立方體的一邊運(yùn)動(dòng)。則在后一慣性系中的觀察者測(cè)得的該立方體體積是多少？
[解析] 由狹義相對(duì)論知，在運(yùn)動(dòng)方向上，觀察者測(cè)得的立方體邊長(zhǎng)L＝L01-v2c2，而在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上，測(cè)得的立方體邊長(zhǎng)不變，所以觀察者測(cè)得的立方體的體積V＝L02L＝L031-v2c2。
[答案] L031-v2c2
13．如圖所示，假設(shè)一根10 m長(zhǎng)的梭鏢以光速穿過(guò)一根10 m長(zhǎng)的管子，它們的長(zhǎng)度都是在靜止?fàn)顟B(tài)下測(cè)量的。以下敘述中最好地描述了梭鏢穿過(guò)管子情況的是( )
A．梭鏢收縮變短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它
B．管子收縮變短，因此在某些位置上，梭鏢從管子的兩端伸出來(lái)
C．兩者都收縮，且收縮量相等，因此在某個(gè)位置，管子恰好遮住梭鏢
D．所有這些都與觀察者的運(yùn)動(dòng)情況有關(guān)
D [如果觀察者是在相對(duì)于管子靜止的參考系中觀察運(yùn)動(dòng)著的梭鏢，那么梭鏢看起來(lái)就比管子短，在某些位置梭鏢會(huì)完全在管子內(nèi)部，然而當(dāng)觀察者和梭鏢一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者看到的管子就縮短了，所以在某些位置，觀察者可以看到梭鏢兩端都伸出管子，則D正確，A、B、C錯(cuò)誤。]
章末綜合測(cè)評(píng)(三)
一、選擇題(共12小題，1～8題為單選題，9～12題為多選題)
1．繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的空間實(shí)驗(yàn)室所受到的引力提供向心力，空間實(shí)驗(yàn)室里能完成的實(shí)驗(yàn)是( )
A．用天平測(cè)物體的質(zhì)量
B．用彈簧測(cè)力計(jì)、刻度尺探究?jī)蓚€(gè)互成角度的力的合成規(guī)律
C．用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)物體的重力
D．求做自由落體運(yùn)動(dòng)物體的加速度
B [空間實(shí)驗(yàn)室中所有物體都處于完全失重狀態(tài)，萬(wàn)有引力完全提供向心力，所以與重力有關(guān)的實(shí)驗(yàn)均不能完成，如用天平稱量物體的質(zhì)量以及測(cè)量物體的重力等實(shí)驗(yàn)都不能完成，A、C、D錯(cuò)誤；彈簧測(cè)力計(jì)的原理是胡克定律，與重力無(wú)關(guān)，仍然可以完成，B正確。]
2．如圖所示，在地球軌道外側(cè)有一小行星帶。假設(shè)行星帶中的小行星都只受太陽(yáng)引力作用，并繞太陽(yáng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。下列說(shuō)法正確的是( )
A．小行星帶內(nèi)側(cè)行星的加速度小于外側(cè)行星的加速度
B．與太陽(yáng)距離相等的每一顆小行星，受到太陽(yáng)的引力大小都相等
C．各小行星繞太陽(yáng)運(yùn)行的周期大于一年
D．小行星帶內(nèi)各行星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的線速度均大于地球公轉(zhuǎn)的線速度
C [小行星帶比地球離太陽(yáng)的距離遠(yuǎn)，離太陽(yáng)越遠(yuǎn)的星球加速度、線速度越小，周期越大，由于每顆小行星的質(zhì)量未知，受到太陽(yáng)的引力大小關(guān)系不確定，C正確。]
3．(2022·江蘇蘇州實(shí)驗(yàn)中學(xué)期中)如圖所示，地面上A、B兩處的中點(diǎn)處有一點(diǎn)光源S，甲觀察者站在光源旁，乙觀察者乘坐速度為v(接近光速)的火箭沿AB方向飛行，兩觀察者身邊各有一個(gè)事先在地面校準(zhǔn)了的相同的時(shí)鐘，下列對(duì)相關(guān)現(xiàn)象的描述中，正確的是( )
A．甲測(cè)得的光速為c，乙測(cè)得的光速為c-v
B．甲認(rèn)為飛船中的鐘變慢了，乙認(rèn)為甲身邊的鐘變快了
C．甲測(cè)得的AB間的距離小于乙測(cè)得的AB間的距離
D．當(dāng)光源S發(fā)生一次閃光后，甲認(rèn)為A、B兩處同時(shí)接收到閃光，乙則認(rèn)為B先接收到閃光
D [根據(jù)愛(ài)因斯坦的光速不變?cè)?，可知甲、乙在兩種不同的參考系里測(cè)出的光速都為c，故A錯(cuò)誤；根據(jù)動(dòng)鐘變慢效應(yīng)：運(yùn)動(dòng)的鐘比靜止的鐘走得慢，而且，運(yùn)動(dòng)速度越快，鐘走得越慢，接近光速時(shí)，鐘就幾乎停止了，甲認(rèn)為飛船中的鐘變慢了，乙認(rèn)為甲身邊的鐘變慢了，故B錯(cuò)誤；根據(jù)尺縮效應(yīng)：在尺子長(zhǎng)度方向上運(yùn)動(dòng)的尺子比靜止的尺子短，可知甲測(cè)得的AB間的距離大于乙測(cè)得的AB間的距離，故C錯(cuò)誤；當(dāng)光源S發(fā)生一次閃光后，甲認(rèn)為A、B兩處同時(shí)接收到閃光，對(duì)乙而言，則乙認(rèn)為B先接收到閃光，故D正確。]
4．珠峰高程測(cè)量登山隊(duì)于北京時(shí)間2020年5月27日，成功登頂珠峰，人類首次在珠峰峰頂開(kāi)展重力測(cè)量。如果忽略地球自轉(zhuǎn)的影響，測(cè)得一個(gè)物體在峰底的重力為G1，在峰頂?shù)闹亓镚2，峰底離地心的距離為R，則峰頂?shù)椒宓椎母叨葹? )
A．(1－G2G1)R B．(G1G2－1)R
C．(G1G2－1)RD．(1－G2G1)R
B [如果忽略地球自轉(zhuǎn)的影響，在峰底時(shí)滿足G1＝GMmR2，在峰頂時(shí)滿足G2＝GMmR+h2，聯(lián)立解得
h＝(G1G2－1)R，B正確。]
5．(2022·廣東肇慶高一期末)如圖所示，天問(wèn)一號(hào)從地球飛向火星時(shí)的轉(zhuǎn)移軌道又叫霍曼轉(zhuǎn)移軌道。霍曼轉(zhuǎn)移軌道是與火星和地球公轉(zhuǎn)軌道均相切的橢圓軌道，其切點(diǎn)分別為P、Q。已知地球公轉(zhuǎn)周期為T1，火星公轉(zhuǎn)周期為T2，天問(wèn)一號(hào)從霍曼轉(zhuǎn)移軌道P點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到Q點(diǎn)所用時(shí)間為t，則( )
A．tT22
C．T12

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