2019-2020学年高中物理第十五章相对论简介1相对论的诞生2时间和空间的相对性课后检测含解析新人教版选修3-4

2019-2020学年高中物理第十五章相对论简介1相对论的诞生2时间和空间的相对性课后检测含解析新人教版选修3-4

‎1　相对论的诞生 2　时间和空间的相对性 记一记 相对论的诞生　时间和空间的相对性 ‎1个理论——狭义相对论 ‎2个假设——狭义相对性原理、光速不变原理 ‎2个相对性——时间和空间的相对性 辨一辨 ‎1.静止或匀速直线运动的参考系是惯性系．(√)‎ ‎2．由于在任何惯性系中力学规律都是相同的，因此，研究力学问题时可以选择任何惯性系．(√)‎ ‎3．在不同的惯性系中，光速是不相同的．(×)‎ ‎4．在一个惯性系内进行任何力学实验都不能判断它是否在相对另一个惯性系做匀速直线运动．(√)‎ ‎5．在狭义相对论时空观中空间和时间与物质的运动状态无关．(×)‎ 想一想 ‎1.运动的时钟变慢是不是因为时钟的构造因运动而发生了改变？‎ 提示：运动的时钟变慢是在两个不同的惯性系中进行时间比较的一种效应，不是因为时钟的结构或精度因运动而发生了改变．‎ ‎2．尺子沿任何方向运动其长度都缩短吗？‎ 提示：尺子沿其长度方向运动时缩短，在垂直于运动方向长度不变．‎ 思考感悟：　‎ ‎　‎ ‎　‎ ‎　‎ 练一练 ‎1.有下列几种说法：①所有惯性系统对物理基本规律都是等价的；②在真空中，光的速度与光的频率、光源的运动状态无关；③在任何惯性系中，光在真空中沿任何方向的传播速度都相同．关于上述说法(　　)‎ A．只有①②是正确的　　　B．只有①③是正确的 C．只有②③是正确的 D．三种说法都是正确的 - 7 -‎ 解析：狭义相对论认为，物体所具有的一切物理量可以因所选参考系的不同而不同，但它们在不同的参考系中所遵循的物理规律却是相同的，即①②都正确．光速不变原理认为，在不同的惯性参考系中，一切物理定律都是相同的，即光在真空中沿任何方向的传播速度都相同．‎ 答案：D ‎2．以下说法中正确的是(　　)‎ A．经典物理中的速度合成公式在任何情况下都是适用的 B．经典物理规律也适用于高速运动的物体 C．力学规律在一个静止的参考系和一个匀速运动的参考系中是不等价的 D．力学规律在任何惯性系里都是等价的 解析：经典物理规律适用低速宏观的物体，A、B两项错误；由伽俐略相对性原理可判断，C项错误，D项正确．‎ 答案：D ‎3．下列判断正确的是(　　)‎ A．“电磁波的速度是c”是相对于地球而言的 B．“电磁波的速度是c”是相对于某一特殊参考系而言的 C．真空中的光速在不同参考系中都是相同的 D．以上说法都不对 解析：由狭义相对性原理可判断C项正确．‎ 答案：C ‎4．如果有一列火车，以很高的速度运动，车窗沿运动方向为长，垂直运动方向为宽，根据相对论的知识，地面上的人发现(　　)‎ A．火车窗口比静止时要长 B．火车窗口比静止时要短 C．火车窗口比静止时要宽 D．火车窗口比静止时要窄 解析：由于尺缩效应，在运动的方向上，长度要缩短，所以车窗的长度比静止时要短，但是与运动方向垂直的宽不会变化，故B项正确．‎ 答案：B ‎5．下列说法正确的是(　　)‎ A．电磁波不能产生衍射现象 B．电磁波和机械波都只能在介质中传播 C．根据多普勒效应可以判断遥远天体相对于地球的运动速度 D．光在真空中运动的速度在不同惯性系中测得的数值可能不同 解析：干涉和衍射是波特有的性质，电磁波也可以发生衍射现象，故A项错误；电磁波可以在真空中传播，故B项错误；由于波源与接受者的相对位移的改变，而导致接受频率的变化，称为多普勒效应，所以可以判断遥远天体相对于地球的运动速度，故C项正确；根据光速不变原理，知在不同惯性系中，光在真空中传播速度大小相等，故D项错误．‎ 答案：C 要点一 相对性原理与两个基本假设 ‎1.(多选)关于狭义相对论的两个假设，正确的是(　　)‎ A．在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的 B．在不同的惯性参考系中，力学规律都一样，电磁规律不一样 C．真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的 D．真空中的光速在不同的惯性参考系中是有差别的 解析：根据狭义相对论的两个基本假设，A、C两项正确．‎ 答案：AC ‎2．(多选)如果牛顿定律在参考系A中成立，而参考系B相对于A做匀速直线运动，则在参考系B中(　　)‎ A．牛顿定律也同样成立 B．牛顿定律不能成立 C．A和B两个参考系中，一切物理定律都是相同的 D．参考系B也是惯性参考系 - 7 -‎ 解析：根据狭义相对论原理，在不同的惯性参考系中一切物理定律都是相同的，故A、C、D三项正确．‎ 答案：ACD ‎3．属于狭义相对论基本假设的是：在不同的惯性系中(　　)‎ A．真空中光速不变 B．时间间隔具有相对性 C．物体的质量不变 D．物体的能量与质量成正比 解析：狭义相对论的两条假设分别是：在任何惯性系中真空中的光速不变和一切物理规律相同，故A项正确．‎ 答案：A ‎4．在地面附近有一高速飞行的火箭，关于地面上的观察者和火箭中的工作人员观察到的现象，下列说法正确的是(　　)‎ A．地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变慢了 B．地面上的人观察到火箭变长了，火箭上的时间进程变慢了 C．火箭中的工作人员观察到火箭的长度不变而时间进程却变化了 D．地面上的人观察到火箭变长了，火箭上的时间进程变快了 解析：根据狭义相对论的“尺缩效应”和“钟慢效应”可判断，A项正确．‎ 答案：A 要点二 时间和空间的相对性 ‎5.下列说法中不正确的是(　　)‎ A．一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，这是经典物理学家的观点 B．一根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．一根杆的长度静止时为l0，不管杆如何运动，杆的长度均小于l0‎ D．如果两根平行的杆在沿自己的长度方向上做相对运动，与它们一起运动的两位观察者都会认为对方的杆缩短了 解析：若杆沿垂直于自身长度的方向运动，它的长度将不变．‎ 答案：C ‎6．惯性系s中有一边长为l的正方形(如图所示)，从相对s系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图象是(　　)‎ 解析：由相对论知识易得运动方向上的边长变短，垂直运动方向的边长不变，C项正确．‎ 答案：C ‎7．能用来计时的钟表有多种，如图所示，从左到右依次为沙漏计时仪器、电子表、机械闹表、生物钟．由相对论的知识可知，物体的运动可以使得某一种计时仪器变慢，则也一定能使所有的计时仪器变得一样慢．则对上述表述理解正确的是(　　)‎ A．正确，对各式计时仪器的影响一定相同 B．错误，对各式计时仪器的影响不一定相同 C．AB两个选项分别说明了两种不同情况下的影响 - 7 -‎ D．以上答案均错误 解析：根据爱因斯坦相对论的钟慢效应可知，若钟与观察者有相对运动，所有的钟都变慢，而且变慢的程度均相同，与钟的构造、原理无关，A项正确．‎ 答案：A ‎8．(多选)A、B两架飞机沿地面上一足球场的长度方向在其上空高速飞过，且vA>vB，在飞机上的人观察结果正确的是(　　)‎ A．A飞机上的人观察到的足球场的长度比B飞机上的人观察到的大 B．A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的小 C．两飞机上的人观察到足球场的长度相同 D．两飞机上的人观察到足球场的宽度相同 解析：因为当一个惯性系的速度比较大时，根据l′＝l0 ，速度越大，l′越小．因为vA＞vB，所以lA′＜lB′.‎ 答案：BD 基础达标 ‎1.(多选)下面说法正确的是(　　)‎ A．在以 c竖直方向升空的火箭上向前发出的光，对地速度一定比c大 B．在以 c竖直方向升空的火箭上向后发出的光，对地速度一定比c小 C．在以 c竖直方向升空的火箭上沿水平方向发出的光对地速度为c D．在以 c竖直方向升空的火箭上向任一方向发出的光对地速度都为c 解析：由狭义相对论可知：光速在不同惯性参考系中，总是相同的，故C、D两项正确．‎ 答案：CD ‎2．(多选)下列关于经典力学的时空观，正确的是(　　)‎ A．经典力学的时空观中，同时是绝对的，即在一个参考系中的观察者在某一时刻观察到的两个事件，对另一参考系中的观察者来说也是同时发生的 B．在经典力学的时空观中，空间间隔是绝对的，即任何事件(或物体的运动)所经历的时间，在不同的参考系中测量都是相同的，而与参考系的选取无关 C．在经典力学的时空观中，时间间隔是绝对的，即如果各个参考系中用来测量长度的标准相同，那么空间两点距离是绝对的不变的量值，而与参考系选取无关 D．经典力学的时空观就是一个绝对的时空观，时间与空间、物体的运动无关 解析：经典的时空观认为，时间、空间均是绝对的，与物体的运动状态无关，同时也是绝对的，即在一个参考系中同时发生的两个事件，在不同参考系中观察也是同时发生的，故A、B、C、D四项均正确．‎ 答案：ABCD ‎3．假设甲在接近光速的火车上看地面上乙手中沿火车前进方向放置的尺，同时地面上的乙看甲手中沿火车前进方向放置的相同的尺，则下列说法正确的是(　　)‎ A．甲看到乙手中的尺长度比乙看到自己手中的尺长度大 B．甲看到乙手中的尺长度比乙看到自己手中的尺长度小 C．乙看到甲手中的尺长度比甲看到自己手中的尺长度大 D．乙看到甲手中的尺长度与甲看到自己手中的尺长度相同 解析：K系认为静止在K′系中的尺收缩，反之，K′系认为静止在K系中的尺收缩．‎ 答案：B ‎4．关于爱因斯坦的狭义相对论，下列说法正确的是(　　)‎ A．狭义相对论的基本假设之一是光速不变原理 - 7 -‎ B．有些运动物体相对于观察者的速度可以大于真空中的光速 C．在地面参考系中，观察到在上海和北京同时有两个婴儿诞生，如果在沿北京—上海方向高速飞行的飞船上观测，他们也是同时诞生的 D．对于不同的惯性系，物理规律(包括力学和电磁学的)都是不同的 解析：在爱因斯坦的相对论中，它的两个假设是：(1)在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的．(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，故A项正确，B、C、D三项错误．‎ 答案：A ‎5．(多选)假设一列‎100 m长的火车以接近光速的速度穿过一根‎100 m长的隧道，它们的长度都是在静止状态下测量的，下列关于看到的现象判断正确的是(　　)‎ A．相对隧道静止的观察者会看到，火车变短，在某些位置上，隧道能完全遮住它 B．相对隧道静止的观察者会看到，隧道变短，在某些位置上，火车从隧道的两端伸出来 C．相对火车静止的观察者会看到，火车变短，在某些位置上，隧道能完全遮住它 D．相对火车静止的观察者会看到，隧道变短，在某些位置上，火车从隧道的两端伸出来 解析：相对于隧道静止的观察者看到火车在运动，所以火车比隧道短，在某些位置火车会完全处在隧道内部，然而相对火车静止的观察者会看到隧道在运动，所以隧道比火车短，在某些位置火车两端都伸出隧道，A、D两项正确，B、C两项错误．‎ 答案：AD ‎6．(多选)通常我们把地球和相对地面静止或做匀速直线运动的物体参考系看成是惯性系，若以下列系统为参考系，则属于非惯性系的有(　　)‎ A．停在地面上的汽车 B．绕地球做匀速圆周运动的飞船 C．在大海上匀速直线航行的轮船 D．进站时减速行驶的火车 解析：“绕地球做匀速圆周运动的飞船”、“进站时减速行驶的火车”不是相对地面静止或做匀速直线运动的物体．‎ 答案：BD ‎7．一艘大船在平静的大洋中匀速行驶，一个人在其密闭的船舱内向各个不同的方向做立定跳远实验，并想由此来判断船航行的方向，假设他每次做的功相同，下列说法正确的是(　　)‎ A．如果向东跳得最远，则船向东行驶 B．如果向东跳得最近，则船向东行驶 C．他向各个方向跳的最大距离相同，不能由此判断船行方向 D．他向各个方向跳的最大距离不同，但不能由此判断船行方向 解析：由狭义相对论的相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，所以这个人不能判断船行方向；根据功能关系，可判断他向各个方向跳的最大距离相同，故C项正确．‎ 答案：C ‎8．话说有兄弟两个，哥哥乘坐宇宙飞船以接近光的速度离开地球去遨游太空，经过一段时间返回地球，哥哥惊奇地发现弟弟比自己要苍老许多，则该现象的科学解释是(　　)‎ A．哥哥在太空中发生了基因突变，停止生长了 B．弟弟思念哥哥而加速生长了 C．由相对论可知，物体速度越大，在其上的时间进程就越慢，生理过程也越慢 D．这是神话，科学无法解释 解析：根据相对论的时间延缓效应，当飞船速度接近光速时，时间会变慢．时间延缓效应对生命过程、化学反应等也是成立的．飞船运行的速度越大，时间延缓效应越明显，人体的新陈代谢越缓慢．‎ 答案：C ‎9．图示是一个边长为‎1 m - 7 -‎ 的正方体木箱，现在让这个正方体木箱沿水平方向匀速向右运动，运动速度很大，为‎0.99c，那么这个木箱看上去应该是(　　)‎ A．边长不相等的长方体 B．边长都缩短的正方体 ‎ C．近似一块薄木板 ‎ D．以上说法都不对 解析：由于木箱运动得很快，速度已经接近光速，所以在沿着运动方向上的尺缩效应很明显，而其他两个方向上没有尺缩效应，看上去应该是一块薄木板．‎ 答案：C 能力达标 ‎10.(多选)关于时间和空间，在学习狭义相对论后我们应认识到(　　)‎ A．因为时间是绝对的，所以我们在不同的参考系中观察到的时间进程都是相同的 B．空间与时间之间是没有联系的 C．有物质才有空间和时间 D．在一个确定的参考系中观察，运动物体的空间距离和时间进程跟物体的运动状态有关 解析：经典物理学认为空间和时间是脱离物质存在的，是绝对的，空间与时间之间是没有联系的，在相对论中，时间和空间是和物质的运动相联系的，只有在物质存在时才有空间和时间的概念，时间和空间是相互联系且是相对的．C、D两项正确．‎ 答案：CD ‎11．(多选)设某人在速度为‎0.5c的飞船上打开一个光源，则下列说法正确的是(　　)‎ A．飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为‎1.5c B．飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为‎0.5c C．在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是c D．在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c 解析：根据狭义相对论的“光速不变原理”可知，真空中的光速在不同的惯性系中都是相同的，所以真空中的光速相对于飞船的速度为c，相对于地面的速度也为c.C、D两项正确．‎ 答案：CD ‎12．如图，假设一根‎10 m长的梭镖以光速穿过一根‎10 m长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的．以下叙述中最好地描述了梭镖穿过管子情况的是(　　)‎ A．梭镖收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它 B．管子收缩变短，因此在某些位置上，梭镖从管子的两端伸出来 C．两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管子恰好遮住梭镖 D．所有这些都与观察者的运动情况有关 解析：如果你是在相对于管子静止的参考系中观察运动着的梭镖，那么梭镖看起来就比管子短，在某些位置梭镖会完全在管子内部．然而当你和梭镖一起运动时，你看到的管子就缩短了，所以在某些位置，你可以看到梭镖两端都伸出管子，故D项正确，A、B、C三项错误．‎ 答案：D - 7 -‎ ‎13．甲、乙两人站在地面上时身高都是L0，甲、乙分别乘坐速度为‎0.6c和‎0.8c(c为光速)的飞船同向运动，如图所示．此时乙观察到甲的身高L________L0；若甲向乙挥手，动作时间为t0，乙观察到甲动作时间为t1，则t1________t0.(均选填“＞”“＝”或“＜”)‎ 解析：在垂直于运动方向上长度不变，则有L＝L0；根据狭义相对论的时间延缓效应可知，乙观察到甲的动作时间变长，即t1＞t0.‎ 答案：＝　＞‎ ‎14．远方的一颗星以‎0.8c的速度离开地球，测得它辐射出来的闪光按5昼夜的周期变化，求在此星球上测其闪光周期为多长？‎ 解析：因为Δt＝，‎ 所以Δτ＝Δt，Δt＝5昼夜，v＝‎0.8c，‎ 代入数据解得Δτ＝5×＝3昼夜．‎ 答案：3昼夜 - 7 -‎