（2021新人教版）高中物理必修第二册7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性复习学案（解析版+原卷）.zip

2019-2020 学年高一物理复习学案（人教版新教材必修学年高一物理复习学案（人教版新教材必修 2） 7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性相对论时空观与牛顿力学的局限性 【学习目标学习目标】 1知道以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围。 2知道相对论、量子力学和经典力学的关系。 3通过对牛顿力学适用范围的讨论，使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围，认识 知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神 【知识要点知识要点】 一、相对论时空观一、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,并证明了电磁波的速度等 于光速 C。 2、1887 年的迈克耳孙莫雷实验以及其他一些实验表明:在不同参考系中,光的传播速度都是一样 的。 3、狭义相对论的两个基本假设 爱因斯坦相对性原理:在不同的参考系中,一切物理规律都是相同 )光速不变原理:真空中的光速在不同的参考系中都是相同的。 4、相对论时空观 （1）时间的相对性钟慢效应时间的相对性符合以下规律: 式中t， ，是运动体中的观察者观察到的时间间隔,t 是地面上的观察者观察到的时间间隔。由于 ,所以 t，t,即运动体中的观察者观察到的时间间隔变短了,从地面上观察运动 物体的时间变慢了。这就是所谓的钟慢效应。 （2）空间的相对性尺缩效应空间的相对性符合以下规律: 中 L， ，是运动体中的观察者测得的长度,L 是地面上的观察者测得的长度。由于 ， 所以 LL， ，,即地面上的观察者观察到运动物体的长度变短了。这就是所谓的尺缩效应 二、牛顿力学的成就和局限性二、牛顿力学的成就和局限性 1、成就:牛顿力学的基础是牛顿运动定律,牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的 广阔领域,包括天体力学的研究中接受了实践的检验,取得了巨大的成就。 2、局限性:牛顿力学能够精确的描述宏观物体的运动规律,但对微观粒子的波粒二象性无能力,量子 力学能够正确地描述微观粒子运动的规律性。 3、经典力学适用范围只能用于宏观、低速（与光速相比)的情形,且只在惯性参考系中成立。 【题型分类题型分类】 题型一、题型一、相对论时空观相对论时空观 例 1 1905 年爱因斯坦提出了狭义相对论，狭义相对论的出发点是以两条 基本假设为前提的，这两 条基本假设是（ ） A同时的绝对性与同时的相对性 B运动的时钟变慢与运动的尺子缩短 C时间间隔的绝对性与空间距离的绝对性 D相对性原理与光速不变原理 例 2 对相对论的基本认识，下列说法正确的是 A相对论认为：真空中的光速在不同惯性参考系中都是相同的 B爱因斯坦通过质能方程阐明了质量就是能量 C在高速运动的飞船中的宇航员会发现飞船中的钟走得比地球上快 D我们发现竖直向上高速运动的球在水平方向上变扁了 例 3 以下关于相对论的说法，正确的是 A观察者与光源相向运动时，观测到的光速大于m/s 8 3 10 B在不同的惯性系中观测同一物体，尺寸都相同 C对于同一个物理过程经历的时间，在任何惯性系中观测结果都相同 D当物体相对某一惯性系高速运动时，其质量的观测值与速度大小有关 【同类练习同类练习】 1.如图所示，惯性系 S 中有一边长为 l 的正方形，从相对 S 系沿 x 方向以接近光速的匀速飞行器上 测得该正方形的图像是（ ） AB CD 2用相对论的观点判断下列说法是否正确（ ） 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在地面上的人看来，以的速度升空的火箭中的时钟会变快，但是火箭中的宇航员却看到 3km/s 时钟可能是准确的 C在地面上的人看来，以的速度升空的火箭在运动方向上会变短，而火箭中的宇航员却感 3km/s 觉到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些 D当物体运动的速度时， “时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽略不计 vc 题型二、牛顿力学的局限性题型二、牛顿力学的局限性 例 3 经典力学只适用于“宏观世界” ，这里的“宏观世界”是指( ) A行星、恒星、星系等巨大的物质领域 B地球表面上的物质世界 C人眼能看到的物质世界 D不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界 例 4 通过一个加速装置对电子加一很大的恒力，使电子从静止开始加速，则对这个加速过程，下 列描述正确的是( ) A根据牛顿第二定律，电子将不断做匀加速直线运动 B电子先做加速运动，后以光速做匀速直线运动 C电子开始先近似于匀加速运动，后来质量增大，牛顿运动定律不再适用 D电子是微观粒子，整个加速过程根本就不能用牛顿运动定律解释 【同类练习同类练习】 1.关于经典力学、狭义相对论和量子力学，下列说法中正确的是( ) A狭义相对论和经典力学是相互对立的、互不相容的两种理论； B在物体高速运动时，物体的运动规律遵循狭义相对论，在低速运动时，物体的运动遵循牛顿运 动定律； C经典力学适用于宏观物体的运动，量子力学适用于微观粒子的运动； D不论是宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的。 【成果巩固训练成果巩固训练】 1以下说法错误的是 A爱因斯坦提出光子说成功地解释了光电效应，说明光具有粒子性 B光的波长越大，光子能量越小 C以不同的惯性系观察同一物体的运动，物体的加速度可能不同，但速度一定相同 D光既有波动性，有具有粒子性，二者并不矛盾 2下列说法正确的是（ ） A以牛顿运动定律为基础的经典力学因其局限性而没有存在的价值 B物理学的发展，使人们认识到经典力学有它的适用范围 C相对论和量子力学的出现，是对经典力学的全盘否定 D经典力学对处理高速运动的宏观物体具有相当高的实用价值 3爱因斯坦相对论的提出,是物理学思想的重大革命,因为它( ) A揭示了时间、空间并非绝对不变的属性 B借鉴了法国科学家拉瓦锡的学说 C否定了牛顿力学的原理 D修正了能量、质量互相转化的理论 4建立经典电磁场理论，并预言了电磁波存在的物理学家和创立相对论的科学家分别是() A麦克斯韦法拉第 B麦克斯韦爱因斯坦 C赫兹爱因斯坦 D法拉第麦克斯韦 5牛顿把天体运动与地上物体的运动统一起来，创立了经典力学。随着近代物理学的发展，科学 实验发现了许多经典力学无法解释的事实，关于经典力学的局限性，下列说法正确的是 A火车提速后，有关速度问题不能用经典力学来处理 B由于经典力学有局限性，所以一般力学问题都用相对论来解决 C经典力学适用于宏观、低速运动的物体 D经典力学只适用于像地球和太阳那样大的宏观物体 6用相对论的观点判断下列说法正确的是 （ ） 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狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律是不同的 C在地面上的人看来，以 3km/s 的速度升空的火箭在运动方向上会变短，而火箭中的宇航员却感 觉到地面上的人看起来比飞船中的人矮一些 D无论物体如何运动，物体的质量总是不变的 7你现在正在完成 100 分钟的期末物理考试，假设一艘飞船相对你以 0.3C 的速度匀速飞过（C 为 真空中的光速） ，则飞船上的观察者根据相对论认为你考完这场考试所用时间 A大于 100 分钟B等于 100 分钟C小于 100 分钟D不能确定 8对相对论的基本认识，下列说法正确的是（ ） A相对论认为：真空中的光速在不同惯性参考系中都是相同的 B爱因斯坦通过质能方程阐明了质量就是能量 C在高速运动的飞船中的宇航员会发现飞船中的钟走得比地球上快 D我们发现竖直向上高速运动的球在水平方向上变扁了 9与相对论有关的问题，下列说法正确的是（ ） A火箭内有一时钟，当火箭高速运动后，此火箭内观察者发现时钟变慢了 B力学规律在任何惯性参考系中都是相同的 C一根沿自身长度方向运动的杆，其长度总比静止时的长度要长些 D高速运动物体的质量会变小 2019-2020 学年高一物理复习学案（人教版新教材必修学年高一物理复习学案（人教版新教材必修 2） 7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性相对论时空观与牛顿力学的局限性 【学习目标学习目标】 1知道以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围。 2知道相对论、量子力学和经典力学的关系。 3通过对牛顿力学适用范围的讨论，使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围，认识 知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神 【知识要点知识要点】 一、相对论时空观一、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,并证明了电磁波的速度等 于光速 C。 2、1887 年的迈克耳孙莫雷实验以及其他一些实验表明:在不同参考系中,光的传播速度都是一样 的。 3、狭义相对论的两个基本假设 爱因斯坦相对性原理:在不同的参考系中,一切物理规律都是相同 )光速不变原理:真空中的光速在不同的参考系中都是相同的。 4、相对论时空观 （1）时间的相对性钟慢效应时间的相对性符合以下规律: 式中t， ，是运动体中的观察者观察到的时间间隔,t 是地面上的观察者观察到的时间间隔。由于 ,所以 t，t,即运动体中的观察者观察到的时间间隔变短了,从地面上观察运动 物体的时间变慢了。这就是所谓的钟慢效应。 （2）空间的相对性尺缩效应空间的相对性符合以下规律: 中 L， ，是运动体中的观察者测得的长度,L 是地面上的观察者测得的长度。由于 ， 所以 LL， ，,即地面上的观察者观察到运动物体的长度变短了。这就是所谓的尺缩效应 二、牛顿力学的成就和局限性二、牛顿力学的成就和局限性 1、成就:牛顿力学的基础是牛顿运动定律,牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的 广阔领域,包括天体力学的研究中接受了实践的检验,取得了巨大的成就。 2、局限性:牛顿力学能够精确的描述宏观物体的运动规律,但对微观粒子的波粒二象性无能力,量子 力学能够正确地描述微观粒子运动的规律性。 3、经典力学适用范围只能用于宏观、低速（与光速相比)的情形,且只在惯性参考系中成立。 【题型分类题型分类】 题型一、题型一、相对论时空观相对论时空观 例 1 1905 年爱因斯坦提出了狭义相对论，狭义相对论的出发点是以两条 基本假设为前提的，这两 条基本假设是（ ） A同时的绝对性与同时的相对性 B运动的时钟变慢与运动的尺子缩短 C时间间隔的绝对性与空间距离的绝对性 D相对性原理与光速不变原理 【答案】D 【解析】爱因斯坦提出的狭义相对论两条基本假设是： 相对性原理与光速不变原理，其他内容均 建立在这两点的基础之上；故选 D。 例 2 对相对论的基本认识，下列说法正确的是 A相对论认为：真空中的光速在不同惯性参考系中都是相同的 B爱因斯坦通过质能方程阐明了质量就是能量 C在高速运动的飞船中的宇航员会发现飞船中的钟走得比地球上快 D我们发现竖直向上高速运动的球在水平方向上变扁了 【答案】A 【解析】A相对论认为：真空中的光速在不同的惯性系中都是相同的，故 A 正确 B由可知，质量与能量相互联系，但质量与能量是两个不同的物理量，不能说质量就是 2 Emc 能量，能量就是质量，故 B 错误； C在高速运动的飞船中的宇航员会发现飞船中的钟走得比地球上慢故 C 错误； D我们发现竖直向上高速运动的球，水平方向上没有变化，竖直方向变短了，故 D 错误； 故选 A 例 3 以下关于相对论的说法，正确的是 A观察者与光源相向运动时，观测到的光速大于m/s 8 3 10 B在不同的惯性系中观测同一物体，尺寸都相同 C对于同一个物理过程经历的时间，在任何惯性系中观测结果都相同 D当物体相对某一惯性系高速运动时，其质量的观测值与速度大小有关 【答案】D 【解析】根据狭义相对论，真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，与光源和观察者的运 动无关，故 A 错误；在不同的惯性系中测量同一物体的长度，测量值是不同的，故 B 错误；对于 同一个物理过程经历的时间，在不同惯性系中观测结果是不相同的，选项 C 错误；当物体相对某一 惯性系高速运动时，其质量的观测值与速度大小有关，选项 D 正确；故选 D。 【同类练习同类练习】 1.如图所示，惯性系 S 中有一边长为 l 的正方形，从相对 S 系沿 x 方向以接近光速的匀速飞行器上 测得该正方形的图像是（ ） AB CD 【答案】C 【解析】正方形从相对 S 系沿 x 方向以接近光速匀速飞行的飞行器上运动，根据相对论效应可知， 沿 x 轴方向正方形边长缩短，而沿 y 轴方向正方形边长没有改变，则其形状变成长方形。故选项 C 正确。 2用相对论的观点判断下列说法是否正确（ ） 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在地面上的人看来，以的速度升空的火箭中的时钟会变快，但是火箭中的宇航员却看到 3km/s 时钟可能是准确的 C在地面上的人看来，以的速度升空的火箭在运动方向上会变短，而火箭中的宇航员却感 3km/s 觉到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些 D当物体运动的速度时， “时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽略不计 vc 【答案】CD 【解析】A经典力学理论的观点认为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；而相对论的观点认为时间和空间都是相对的，在不同的参考系中 一个事件发生的时间和一个物体的长度会发生改变，故错误 B根据时间间隔的相对性：可知，时间延缓效应，因此地面上的人看飞船中的时钟会 0 2 2 1 t t v c 变慢，但是飞船中的宇航员却看到时钟是准确的，故 B 错误； C根据长度的相对性：，可知，在运动方向上长度缩短，所以在地面上的人看来， 2 0 2 1 v ll c 以km/s 的速度运动的飞船在运动方向上会变窄，而飞船中的航天员却感到地面上的人看起来比 飞船中的人扁一些，故 C 正确； D当低速宏观物体时，vc 时，tt，ll0，可知“时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽略不计， 故 D 正确。 题型二、牛顿力学的局限性题型二、牛顿力学的局限性 例 3 经典力学只适用于“宏观世界” ，这里的“宏观世界”是指( ) A行星、恒星、星系等巨大的物质领域 B地球表面上的物质世界 C人眼能看到的物质世界 D不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界 答案：D 例 4 通过一个加速装置对电子加一很大的恒力，使电子从静止开始加速，则对这个加速过程，下 列描述正确的是( ) A根据牛顿第二定律，电子将不断做匀加速直线运动 B电子先做加速运动，后以光速做匀速直线运动 C电子开始先近似于匀加速运动，后来质量增大，牛顿运动定律不再适用 D电子是微观粒子，整个加速过程根本就不能用牛顿运动定律解释 答案：C 【同类练习同类练习】 1.关于经典力学、狭义相对论和量子力学，下列说法中正确的是( ) A狭义相对论和经典力学是相互对立的、互不相容的两种理论； B在物体高速运动时，物体的运动规律遵循狭义相对论，在低速运动时，物体的运动遵循牛顿运 动定律； C经典力学适用于宏观物体的运动，量子力学适用于微观粒子的运动； D不论是宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的。 答案：BC 【成果巩固训练成果巩固训练】 1以下说法错误的是 A爱因斯坦提出光子说成功地解释了光电效应，说明光具有粒子性 B光的波长越大，光子能量越小 C以不同的惯性系观察同一物体的运动，物体的加速度可能不同，但速度一定相同 D光既有波动性，有具有粒子性，二者并不矛盾 【答案】C 【解析】 A爱因斯坦提出光子说成功地解释了光电效应，说明光具有粒子性，选项 A 正确，不符合题意； B根据 可知，光的波长越大，光子能量越小，选项 B 正确，不符合题意； hc E C根据相对论原理，以不同的惯性系观察同一物体的运动，物体的加速度和速度都不相同，选项 C 错误，符合题意； D光既有波动性，又具有粒子性，光具有波粒二象性，故 D 正确，不符合题意 故选 C. 2下列说法正确的是（ ） A以牛顿运动定律为基础的经典力学因其局限性而没有存在的价值 B物理学的发展，使人们认识到经典力学有它的适用范围 C相对论和量子力学的出现，是对经典力学的全盘否定 D经典力学对处理高速运动的宏观物体具有相当高的实用价值 【答案】B 【解析】 牛顿运动定律能够解决宏观物体的低速运动问题，在生产、生活及科技方面起着重要作用；解决问 题时虽然有一定误差，但误差极其微小，可以忽略不计；故经典力学仍可在一定范围内适用虽然 相对论和量子力学更加深入科学地认识自然规律，它是科学的进步，但并不表示对经典力学的否定， 故选项 B 正确A、C 错误；经典力学不能用于处理高速运行的物体；故 D 错误 故选 B 3爱因斯坦相对论的提出,是物理学思想的重大革命,因为它( ) A揭示了时间、空间并非绝对不变的属性 B借鉴了法国科学家拉瓦锡的学说 C否定了牛顿力学的原理 D修正了能量、质量互相转化的理论 【答案】A 【解析】 A运动的钟变慢，运动的尺缩短，运动物体的质量变大，这是狭义相对论的几个重要的效应，揭 示了时间、空间并非绝对不变的属性，A 正确； B爱因斯坦相对论借鉴法国科学家拉瓦锡的学说，但“借鉴”不等于“革命”，故 B 错误； C直接说“否定了牛顿力学的原理”是没有一分为二的认识，爱因斯坦相对论解释了经典牛顿力学 不能解释的高速、微观范围，但狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦 电动力学两个体系，指出它们都服从狭义相对性原理，即没有否定牛顿力学的原理，C 错误； D狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律并提示了质量与能量相当，修正了能量、质量 互相转化的理论，但“修正”也算不上革命。故 D 错误。 故选：A。 4建立经典电磁场理论，并预言了电磁波存在的物理学家和创立相对论的科学家分别是() A麦克斯韦法拉第 B麦克斯韦爱因斯坦 C赫兹爱因斯坦 D法拉第麦克斯韦 【答案】B 【解析】 【详解】 在 19 世纪 60 年代建立经典电磁场理论，并预言了电磁波存在的物理学家是麦克斯韦，创立相对论 的科学家是爱因斯坦 A麦克斯韦、法拉第，与结论不相符，选项 A 错误； B麦克斯韦、爱因斯坦，与结论相符，选项 B 正确； C赫兹、爱因斯坦，与结论不相符，选项 C 错误； D法拉第、麦克斯韦，与结论不相符，选项 D 错误； 故选 B。 5牛顿把天体运动与地上物体的运动统一起来，创立了经典力学。随着近代物理学的发展，科学 实验发现了许多经典力学无法解释的事实，关于经典力学的局限性，下列说法正确的是 A火车提速后，有关速度问题不能用经典力学来处理 B由于经典力学有局限性，所以一般力学问题都用相对论来解决 C经典力学适用于宏观、低速运动的物体 D经典力学只适用于像地球和太阳那样大的宏观物体 【答案】C 【解析】A、火车提速后的速度仍然远小于光速,有关速度问题仍然能用经典力学来处理.故 A 错误; B、相对论并没有否定经典力学,而是在其基础上发展起来的,有各自成立范围;经典力学是狭义相对 论在低速 条件下的近似,因此经典力学包含于相对论之中,经典力学是相对论的特例,故 B 错vc 误; C、经典力学适用于宏观、低速运动的物体,不仅仅适用于像地球和太阳那样大的宏观物体,象乒乓球、 篮球、飞鸟等也可以使用.所以 C 选项是正确的,D 错误. 综上所述本题答案是：C 6用相对论的观点判断下列说法正确的是 （ ） 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狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律是不同的 C在地面上的人看来，以 3km/s 的速度升空的火箭在运动方向上会变短，而火箭中的宇航员却感 觉到地面上的人看起来比飞船中的人矮一些 D无论物体如何运动，物体的质量总是不变的 【答案】C 【解析】 时间和物体的存在有关，长度与物体的速度有关，空间也与物体的存在有关，即物体的运动速度使 空间发生了变形，A 错误狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律是相同的，B 错 误，在地面上的人看来，以 3km/s 的速度升空的火箭在运动方向上会变短，而火箭中的宇航员却感 觉到地面上的人看起来比飞船中的人矮一些,C 正确物体的质量跟物体的运动速度有关，所以 D 错误 7你现在正在完成 100 分钟的期末物理考试，假设一艘飞船相对你以 0.3C 的速度匀速飞过（C 为 真空中的光速） ，则飞船上的观察者根据相对论认为你考完这场考试所用时间 A大于 100 分钟B等于 100 分钟C小于 100 分钟D不能确定 【答案】A 【解析】 根据狭义相对论可知，飞船相对此考生以 0.3c 的速度匀速飞过时，飞船上的观察者认为此考生考 完这场考试所用的时间，可知飞船上的观察者认为此考生考完这场考试所用的时 0 0 2 1 ( ) t tt v c 间大于 100 分钟选项 A 正确故选 A 8对相对论的基本认识，下列说法正确的是 A相对论认为：真空中的光速在不同惯性参考系中都是相同的 B爱因斯坦通过质能方程阐明了质量就是能量 C在高速运动的飞船中的宇航员会发现飞船中的钟走得比地球上快 D我们发现竖直向上高速运动的球在水平方向上变扁了 【答案】A 【解析】 A相对论认为：真空中的光速在不同的惯性系中都是相同的，故 A 正确 B由可知，质量与能量相互联系，但质量与能量是两个不同的物理量，不能说质量就是 2 Emc 能量，能量就是质量，故 B 错误； C在高速运动的飞船中的宇航员会发现飞船中的钟走得比地球上慢故 C 错误； D我们发现竖直向上高速运动的球，水平方向上没有变化，竖直方向变短了，故 D 错误； 故选 A 9与相对论有关的问题，下列说法正确的是（ ） A火箭内有一时钟，当火箭高速运动后，此火箭内观察者发现时钟变慢了 B力学规律在任何惯性参考系中都是相同的 C一根沿自身长度方向运动的杆，其长度总比静止时的长度要长些 D高速运动物体的质量会变小 【答案】B 【解析】 A当火箭高速运动后，火箭内观察者相对于时钟的速度仍然是 0，所以发现时钟的快慢不变，故 选项 A 错误； B力学规律在任何惯性参考系中都是相同的，故选项 B 正确； C根据尺缩效应，沿尺子长度方向运动的尺子长度比静止的尺子长度短，当速度接近光速时，尺 子缩成一个点，故选项 C 错误； D高速运动物体的质量是会变大的，所以牛顿运动定律不适合高速运动的物体，故选项 D 错误。 故选 B。