第七章第五節(jié)相對論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性（原卷版）

第七章第五節(jié)相對論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性——精剖細(xì)解學(xué)習(xí)講義知識(shí)點(diǎn)：相對論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性1、相對論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性牛頓力學(xué)時(shí)空觀：絕對時(shí)空觀（牛頓力學(xué)時(shí)空觀）：時(shí)間和空間都是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的。該觀點(diǎn)認(rèn)為時(shí)間和空間是相互獨(dú)立的。不同參考性系之間的速度變換關(guān)系滿足伽利略變換，比如河中的水以相對于岸的速度v水岸流動(dòng)，河中的船以相對于水的速度v船水順流而下，則船相對于岸的速度為v船岸＝v船水＋v水岸。相對論時(shí)空觀：19世紀(jì)，英國物理學(xué)家麥克斯韋根據(jù)電磁場理論預(yù)言了電磁波的存在，并證明電磁波的傳播速度等于光速c。1887年邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)以及其他一些實(shí)驗(yàn)表明：在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的！這與牛頓力學(xué)中不同參考系之間的速度變換關(guān)系不符。愛因斯坦兩個(gè)假設(shè)：在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的。相對論的兩個(gè)效應(yīng)：時(shí)間延緩效應(yīng)：如果相對于地面以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Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\f(v,c)2))。Δt與Δτ的關(guān)系總有Δt＞Δτ，即物理過程的快慢(時(shí)間進(jìn)程)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。長度收縮效應(yīng)：如果與桿相對靜止的人測得桿長是l0，沿著桿的方向，以v相對桿運(yùn)動(dòng)的人測得桿長是l，那么兩者之間的關(guān)系是l＝l0eq\r(1－\f(v,c)2)。l與l0的關(guān)系總有l(wèi)＜l0，即運(yùn)動(dòng)物體的長度(空間距離)跟物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。低速運(yùn)動(dòng)：通常所見物體的運(yùn)動(dòng)，如投出的籃球、行駛的汽車、發(fā)射的導(dǎo)彈等物體皆為低速運(yùn)動(dòng)物體。高速運(yùn)動(dòng)：物體的速度可以與光速相接近（比如有些微觀粒子在一定條件下的速度），這樣的速度稱為高速。對于低速運(yùn)動(dòng)的物體，相對論效應(yīng)可以忽略不計(jì)，一般用經(jīng)典力學(xué)規(guī)律來處理；對于高速運(yùn)動(dòng)問題，經(jīng)典力學(xué)規(guī)律不再適用，需要用相對論知識(shí)來處理。相對論的兩個(gè)效應(yīng)可以總結(jié)如下：運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘會(huì)變慢，即Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\f(v,c)2))；運(yùn)動(dòng)長度會(huì)收縮，即l＝l0eq\r(1－\f(v,c)2)。注意：相對于地面以速度v運(yùn)動(dòng)的物體，從地面上看沿著運(yùn)動(dòng)方向上的長度變短了，速度越大，變短得越多，而在垂直于運(yùn)動(dòng)方向不發(fā)生長度收縮效應(yīng)現(xiàn)象?！巴瑫r(shí)”的相對性經(jīng)典的時(shí)空觀：在同一個(gè)慣性系中不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一個(gè)慣性系中觀察也是相同的。相對論的時(shí)空觀：“同時(shí)”具有相對性，即在同一個(gè)慣性系中不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一個(gè)慣性系中觀察不一定同時(shí)?！伴L度”的相對性經(jīng)典的時(shí)空觀：一列火車的長度不會(huì)因?yàn)橛^察者是否與火車做相對運(yùn)動(dòng)而不同。相對論的時(shí)空觀：“長度”也具有相對性，一列沿自身長度方向運(yùn)動(dòng)的火車，其長度總比靜止時(shí)的長度小。牛頓力學(xué)的成就與局限性成就：從地面上物體的運(yùn)動(dòng)到天體的運(yùn)動(dòng)，從攔河筑壩、修建橋梁到設(shè)計(jì)各種機(jī)械，從自行車到汽車、火車、飛機(jī)等現(xiàn)代交通工具的運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)都服從牛頓力學(xué)的規(guī)律。牛頓力學(xué)在如此廣闊的領(lǐng)域里與實(shí)際相符合，顯示了牛頓運(yùn)動(dòng)定律的正確性和牛頓力學(xué)的魅力。局限性：牛頓力學(xué)只適用于宏觀世界低速運(yùn)動(dòng)的物體，不能描述微觀世界粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。當(dāng)物體的速度接近光速時(shí)，需要利用相對論來闡述其運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不能用牛頓力學(xué)來描述，需要利用量子力學(xué)規(guī)律來進(jìn)行描述。當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，相對論物理學(xué)與牛頓力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別。當(dāng)另一個(gè)重要常數(shù)即普朗克常量可以忽略不計(jì)時(shí)，量子力學(xué)和牛頓力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別。相對論和量子力學(xué)并沒有否定牛頓力學(xué)，牛頓力學(xué)是二者在一定條件下的特殊情形。1．下列物理現(xiàn)象，用牛頓力學(xué)無法解釋的是（）A．高速運(yùn)動(dòng)的子壽命變長B．人造衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)C．汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生的側(cè)滑現(xiàn)象D．隨瀑布自由下落的物體不受浮力作用2．下列說法正確的是（

）A．在經(jīng)典力學(xué)和狹義相對論中，物體的質(zhì)量都不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變而改變B．狹義相對論和經(jīng)典力學(xué)是完全不同、相互矛盾的兩個(gè)理論C．地面上汽車的運(yùn)動(dòng)，服從經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律，而處理人造地球衛(wèi)星、航天飛機(jī)等高速問題，則必須用到相對論理論D．上述說法都不正確3．關(guān)于物理學(xué)相關(guān)知識(shí)，下列敘述中正確的是（）A．“牛頓”可以是國際單位制中的基本單位B．小船渡河時(shí)因水流速度忽然增大而縮短了渡河的時(shí)間C．狹義相對論以兩個(gè)基本假設(shè)為前提：相對性原理和光速不變原理D．通過萬有引力定律計(jì)算可知，只要適當(dāng)調(diào)整高度，惠來上空也可能存在同步衛(wèi)星4．地面上的觀察者測得真空中的光速為v1，在勻速直線運(yùn)動(dòng)的列車內(nèi)，觀察者測得真空中的光速為v2，根據(jù)狹義相對論，下列判斷正確的是（）A．v1>v2 B．v1<v2 C．v1＝v2 D．無法確定5．2015年9月科學(xué)家探測到宇宙中距離我們13億光年的兩個(gè)黑洞合并而產(chǎn)生的引力波，填補(bǔ)了愛因斯坦廣義相對論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的最后一塊“拼圖”。關(guān)于相對論下列說法正確的是（）A．經(jīng)典時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間是相互關(guān)聯(lián)的B．相對于觀察者運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘會(huì)變慢C．在運(yùn)動(dòng)的參照系中測得的光速與其運(yùn)動(dòng)的速度有關(guān)D．同一物體的長度不隨觀察者所處參考系的變換而改變6．像一切科學(xué)一樣，經(jīng)典力學(xué)沒有也不會(huì)窮盡一切真理，它也有自己的局限性。下列說法正確的是（

）A．量子論和狹義相對論否定了經(jīng)典力學(xué)B．牛頓的萬有引力理論適用于白矮星表面C．相對論適用于任何情況下的任何物體D．狹義相對論是時(shí)空觀發(fā)展史上的一次大變革7．下列有關(guān)物理內(nèi)容的若干敘述中正確的是（）A．小船過河的時(shí)間會(huì)因河中心附近水流速度逐漸增大而減少B．接近光速的列車，地面上的人觀測它在運(yùn)動(dòng)方向上的長度縮短C．只要高度合適，北京上空也可能存在同步衛(wèi)星D．伽利略發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律8．在1905年愛因斯坦提出了狹義相對論理論，此理論建立的前提有兩個(gè)假設(shè)條件以及在相對論理論下觀察到的不同現(xiàn)象，如果有接近光速運(yùn)動(dòng)下的物體時(shí)間和空間都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，下列說法中正確的是（）A．在不同的慣性參考系中，一切物體的規(guī)律是不同的B．真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的C．物體在接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，它沿運(yùn)動(dòng)方向上的長度會(huì)變大D．狹義相對論只適用于高速運(yùn)動(dòng)的物體，不適用于低速運(yùn)動(dòng)的物體9．根據(jù)愛因斯坦提出的相對論，以下說法正確的是（）A．經(jīng)典力學(xué)理論普遍適用，大到天體，小到微觀粒子均適用B．物體的質(zhì)量取決于物體所含物質(zhì)的多少，質(zhì)量與速度大小無關(guān)C．一個(gè)真實(shí)的物體，其運(yùn)動(dòng)速度有可能達(dá)到甚至超過真空中的光速D．質(zhì)量、長度、時(shí)間的測量結(jié)果都與觀測者的相對運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)10．物理學(xué)的發(fā)展豐富了人類對物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和革命，促進(jìn)了物質(zhì)生產(chǎn)的繁榮與人類文明的進(jìn)步，下列表述正確的是（）A．牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律B．“地心說”的代表人物是哥白尼C．相對論的創(chuàng)立表明經(jīng)典力學(xué)已不再適用D．經(jīng)典力學(xué)既適用于弱相互作用，也適用于強(qiáng)相互作用11．2021年10月5日，三位科學(xué)家因?yàn)樗麄兞⒂诳茖W(xué)前沿探索世間奧秘，而共享諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。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)于相對論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性，下列說法正確的是（）A．經(jīng)典力學(xué)能夠說明微觀粒子的規(guī)律性，仍能適用于宏觀物體的高速運(yùn)動(dòng)問題B．相對論與量子力學(xué)的出現(xiàn)否定了經(jīng)典力學(xué)，表示經(jīng)典力學(xué)已失去意義C．經(jīng)典力學(xué)并不等于牛頓運(yùn)動(dòng)定律，牛頓運(yùn)動(dòng)定律只是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)D．經(jīng)典力學(xué)在現(xiàn)代廣泛應(yīng)用，它的正確性無可懷疑，仍是普遍適用的12．你現(xiàn)在正在完成100分鐘的期末物理考試，假設(shè)一艘飛船相對你以0.3C的速度勻速飛過（C為真空中的光速），則飛船上的觀察者根據(jù)相對論認(rèn)為你考完這場考試所用時(shí)間A．大于100分鐘 B．等于100分鐘 C．小于100分鐘 D．不能確定13．下列說法中正確的是（）A．牛頓測出了引力常量，他被稱為“稱量地球質(zhì)量”第一人B．相對論時(shí)空觀認(rèn)為物體的長度會(huì)因物體的速度不同而不同C．所有行星的軌道半長軸跟公轉(zhuǎn)周期的三次方的比值都相同D．丹麥天文學(xué)家第谷經(jīng)過多年的天文觀測和記錄，提出了“日心說”的觀點(diǎn)14．下面關(guān)于科學(xué)家做的貢獻(xiàn)，說法正確的是（）A．牛頓通過扭秤實(shí)驗(yàn)測出了萬有引力常量B．卡文迪什被稱為“第一個(gè)稱量地球質(zhì)量的人”C．愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了相對論并成功推翻牛頓力學(xué)體系D．開普勒獨(dú)立觀測了行星數(shù)據(jù)并總結(jié)出了開普勒三大定律多選題15．物理學(xué)的發(fā)展豐富了人類對物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和革命，促進(jìn)了物質(zhì)生產(chǎn)的繁榮與人類文明的進(jìn)步。下列表述正確的是（）A．牛頓首先發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律B．卡文迪什第一個(gè)測出了引力常量，也成為了第一個(gè)測出地球質(zhì)量的人C．相對論的創(chuàng)立表明牛頓力學(xué)已不再適用D．相對論時(shí)空觀把物理學(xué)推到更高領(lǐng)域16．下列說法正確的是（）A．經(jīng)典力學(xué)包含在相對論之中，是相對論的特例B．廣義相對論時(shí)一種新的時(shí)空與引力理論C．物理學(xué)家牛頓在實(shí)驗(yàn)室利用扭稱裝置測出了萬有引力常量D．如果物體在地面上靜止不動(dòng)。任何人在任何參考系里測出的物體長度都是一樣的17．迄今發(fā)現(xiàn)的二百余顆太陽系外行星大多不適宜人類居住，繞恒星“Gliese581”運(yùn)行的行星“G1581c”卻很值得我們期待，該行星的溫度在0℃到40℃之間，質(zhì)量是地球的6倍、直徑是地球的1.5倍，公轉(zhuǎn)周期為13個(gè)地球日，“Gliese581”的質(zhì)量是太陽質(zhì)量的0.31倍，設(shè)該行星與地球均視為質(zhì)量分布均勻的球體，繞其中心天體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則（）A．在該行星和地球上發(fā)射衛(wèi)星的第一宇宙速度不同B．如果人到了該行星，其體重比地球上的大C．該行星與“Gliese581”的距離和日地距離相比較大D．在忽略星球自轉(zhuǎn)的情況下，在該行星和地球上測同一個(gè)物體的質(zhì)量，地球上測得的質(zhì)量比較小18．下列說法正確的是（

）A．圖甲中，小球可以僅在一恒力F的作用下沿圖中軌跡從M點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到N點(diǎn)B．圖乙中，小船在繩子拉力作用下水平向左運(yùn)動(dòng)，其速度分解遵循圖中的分解方式C．圖丙中，繩長不變，小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的角速度越大，繩子與豎直方向的夾角越大D．圖丁中，若飛機(jī)接近光速飛行時(shí)，經(jīng)典力學(xué)就不再適用19．如圖所示，你站在水平木桿AB的中央附近，并且看到木桿落在地面上時(shí)是兩端同時(shí)著地的，所以，你認(rèn)為這木桿是平著落到了地面上；而此時(shí)飛飛小姐正以接近光速的速度從你前面掠過，她看到B端比A端先落地，因而她認(rèn)為木桿是向右傾斜著落地的；她的看法是()A．對的B．錯(cuò)的C．她應(yīng)感覺到木桿在朝她運(yùn)