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第5节　相对论时空观与牛顿力学的局限性
学习目标　1.感受牛顿力学在高速世界与事实的矛盾，知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。
2.知道爱因斯坦狭义相对论的基本假设，知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。3.关注宇宙起源和演化的研究进展。
知识点一　相对论时空观
如图，在高速运行的列车车厢的顶部有一个反光镜，列车上一个人对着反光镜发射一束光。
思考：列车上的人和地面上的人观察到的光的往返时间是否相同？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1.电磁波与光速
英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了________的存在，并证明电磁波的传播速度等于________。1887年的迈克耳孙—莫雷实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度都是________的。
2.爱因斯坦假设
(1)在不同的________参考系中，物理规律的形式都是________的。
(2)真空中的________在不同的惯性参考系中大小都是________的。
3.时间延缓效应
如果相对于地面以v运动的________________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完成这个动作的时间间隔为Δt，那么两者之间的关系是Δt＝____________
由于1－<1，所以总有Δt________Δτ，此种情况称为________________。
4.长度收缩效应
如果与杆相对________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＝____________
由于1－<1，所以总有l________l0，此种情况称为长度收缩效应。
5.相对论时空观：运动物体的长度(空间距离)和物理过程的快慢(时间进程)都跟物体的________________有关。
角度1　时间延缓效应
例1 如图所示，A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上，B、C分别放在以速度vB和vC朝同一方向飞行的两枚火箭上，且vB　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
角度2　长度收缩效应
例2 假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是(　　)
A.这个人是一个矮胖子
B.这个人是一个瘦高个子
C.这个人矮但不胖
D.这个人瘦但不高
听课笔记　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
相对于地面以速度v运动的物体，从地面上看：
(1)沿着运动方向上的长度变短了，速度越大，变短得越多。
(2)在垂直于运动方向上不发生长度收缩效应现象。　　　　
训练1 下列说法中正确的是(　　)
A.在高速运动的火车车厢中央，光源同时向车厢前后两壁发出了一个闪光，地面上的人看到闪光同时到车厢的前后壁
B.在任何惯性参考系中，物体的运动速度都不能超过光速
C.一条沿自身长度方向高速运动的杆，其长度总比杆静止时的长度大
D.同样的两个事件，在不同的参考系中观测，时间间隔都相同
知识点二　牛顿力学的成就与局限性
如图所示，质子束被加速到接近光速，牛顿力学适用于质子束的运动规律吗？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1.牛顿力学的成就：从地面上物体的运动到天体的运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动，从投出篮球到发射导弹、人造地球卫星、宇宙飞船……所有这些都服从____________的规律。
2.牛顿力学的局限性：电子、质子、中子等微观粒子不仅具有________，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用____________来说明，而____________能够很好地描述微观粒子的运动规律。
3.经典力学的适用范围：只适用于________运动，不适用于________运动；只适用于________世界，不适用于________世界。
例3 (多选)关于经典力学、狭义相对论和量子力学，下列说法正确的是(　　)
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
听课笔记　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
训练2 下列物理现象，用牛顿力学无法解释的是(　　)
A.高速运动的μ子寿命变长
B.人造卫星绕地球做匀速圆周运动
C.汽车转弯时发生的侧滑现象
D.随瀑布自由下落的物体不受浮力作用
随堂对点自测
1.(光速不变原理)地面上的观察者测得真空中的光速为v1，在匀速直线运动的列车内，观察者测得真空中的光速为v2，根据狭义相对论，下列判断正确的是(　　)
A.v1>v2 B.v1C.v1＝v2 D.无法确定
2.(时间延缓效应)在一个高速旋转的巨大转盘上放置三个完全相同的时钟，a放在转轴处，b放在中间，c放在边缘处，如图所示。对于地面上的观察者，根据相对论认为三个时钟的快慢情况，下列说法正确的是(　　)
A.a钟最快，b、c钟一样慢
B.a钟最慢，b、c钟一样快
C.a钟最快，c钟最慢
D.a钟最慢，c钟最快
3.(长度收缩效应)一高速列车通过洞口为圆形的隧道，列车上的司机对隧道的观察结果为(　　)
A.洞口为椭圆形，隧道长度变短
B.洞口为圆形、隧道长度不变
C.洞口为椭圆形、隧道长度不变
D.洞口为圆形，隧道长度变短
4.(牛顿力学的成就与局限性)下列关于牛顿力学的说法正确的是(　　)
A.牛顿力学适用于宏观、低速(远小于光速)运动的物体
B.牛顿力学适用于微观、高速(接近光速)运动的粒子
C.相对论和量子力学的出现，表明牛顿力学已被完全否定了
D.牛顿力学在理论和实践上取得了巨大的成功，从地面到天体的运动都服从牛顿力学的规律，因此任何情况下都适用
第5节　相对论时空观与牛顿力学的局限性
知识点一
导学
提示　不同
知识梳理
1.电磁波　光速c　一样　2.(1)惯性　相同　(2)光速　相同
3.惯性参考系　　>　时间延缓效应　4.静止
l0　<　5.运动状态
例1 C时钟走得最慢　A时钟走得最快
解析　根据公式Δt＝可知，相对于观察者的速度v越大，时钟走得越慢，所以地面上的观察者认为C时钟走得最慢。地面上的A时钟相对于观察者的速度为零，所以A走得最快。
例2 D　[取路旁的人为惯性参考系，车上的人相对于路旁的人高速运动，根据长度收缩效应，人在运动方向上将变窄，但在垂直于运动方向上没有发生变化，故D正确。]
训练1 B　[根据同时的相对性，火车上的人会看到两个闪光同时到达车厢的前后壁，而地面上的人会看到闪光先到达车厢的后壁(相对火车运动方向而言)，后到达前壁，A错误；根据爱因斯坦的相对论可知，在任何惯性参考系中，任何物体的运动速度都不能超过光速，B正确；考虑相对论效应，根据长度与速度关系公式l＝l0知，沿自身长度方向高速运动的杆长度总比静止时的长度短，C错误；由相对论的基本公式Δt＝，可知时间间隔与参考系有关，D错误。]
知识点二
导学
提示　不适用
知识梳理
1.牛顿力学　2.粒子性　牛顿力学　量子力学　3.低速　高速　宏观　微观
例3 BC　[相对论并没有否定经典力学，而是认为经典力学是相对论在一定条件下的特殊情况，A错误；经典力学适用于宏观物体的低速运动，对于微观粒子的高速运动问题，经典力学不再适用，但相对论、量子力学适用，故B、C正确，D错误。]
训练2 A　[高速运动的μ子寿命变长涉及到高速微观领域，牛顿力学对于高速微观领域不适用，无法解释，故A错误；人造卫星绕地球做匀速圆周运动、汽车转弯时发生的侧滑现象、随瀑布自由下落的物体不受浮力作用均属于低速宏观领域，用牛顿力学可以解释，故B、C、D正确。]
随堂对点自测
1.C　[根据狭义相对论光速不变原理，光在真空中总是以确定的速度传播，在真空中的各个方向上，光信号传播速度的大小均相同，光速同光源的运动状态和观察者所处的惯性系无关，可知v1＝v2，故C正确。]
2.C　[根据公式Δt＝可知，地面上的观察者认为c钟走得最慢，因为它相对观察者的速度最大；b钟比c钟快一些，而a钟最快，因为它的速度最小，选项C正确。]
3.D　[在运动方向上由于有长度收缩效应，故隧道长度变短；在垂直运动方向上，没有长度收缩效应，即洞口为圆形，故D正确。]
4.A　[牛顿力学只适用宏观、低速的物体，相对论和量子力学并没有否定牛顿力学，而是认为牛顿力学是相对论在一定条件下的特殊情况，故A正确。]第5节　相对论时空观与牛顿力学的局限性
(分值：100分)
选择题1～10题，每小题8分，11～12题，每小题10分，共100分。
对点题组练
题组一　相对论时空观
1.按照相对论的时空观，下列说法正确的是(　　)
时间和空间都是独立于物体及其运动而存在的
在不同的惯性参考系中，光的传播速度都是相同的
运动物体的长度跟物体的运动快慢无关
在高速运动的飞机上，原子钟的计时会变快
2.假设兄弟二人，哥哥乘坐宇宙飞船以接近光速的速度离开地球去遨游太空，经过一段时间后返回地球，哥哥惊奇地发现弟弟比自己苍老许多。则该现象的科学解释是(　　)
哥哥在太空中发生了基因突变，停止生长了
弟弟因思念哥哥而加速生长
由相对论可知，物体速度越大，其时间进程越慢，生理进程也越慢
这是神话，科学无法解释
3.某考生现在正在完成100分钟的期末物理考试，假设一艘飞船相对该考生以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该考生考完这场考试所用时间(　　)
大于100分钟 等于100分钟
小于100分钟 不能确定
4.如图所示，质量与身高均相同的甲、乙两人分别乘坐速度为0.6c和0.8c(c为光速)的飞船在太空中同向运动。则下列说法中正确的是(　　)
乙观察到甲身高变高
甲观察到乙身高变低
若甲向乙挥手，则乙观察到甲动作变快
若甲向乙发出一束光进行联络，则乙观察到该光束的传播速度为c
5.如图所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮乘坐的飞船的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为(　　)
0.4c 0.5c
0.9c c
题组二　牛顿力学的成就与局限性
6.(多选)牛顿的经典力学能很好地解释下列哪些现象(　　)
高速公路上行驶的汽车
空气中下落的雨滴
原子核外电子绕核的转动
空气中飘浮的肥皂泡
7.(多选)来自中国的量子科学实验卫星“墨子号”从太空发出两道红色的光，射向青海德令哈站与千公里外的云南丽江高美古站，首次实现人类历史上第一次距离达“千公里级”的量子密钥分发。下列说法正确的是(　　)
牛顿力学适用于描述“墨子号”绕地球运动的规律
牛顿力学适用于描述光子的运动规律
量子力学可以描述“墨子号”发出的“两道红色的光”的运动规律
量子力学的发现说明牛顿力学已失去了实用价值
8.(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(　　)
牛顿定律也同样成立
牛顿定律不能成立
A和B两个参考系中，一切力学规律都是相同的
参考系B也是惯性参考系
综合提升练
9.如图所示，沿平直铁路有间距相等的三座铁塔A、B和C。假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上的观察者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是(　　)
同时被照亮 A先被照亮
C先被照亮 无法判断
10.如图所示，位于教室中央的光源发出一个闪光，闪光照到了教室的前壁和后壁。教室的长度为10 m。在平行于教室高速运动的太空飞船上的观察者(　　)
测得照到前壁的光的速度小于c
观测到飞船上的时间进程比教室快
测得教室的长度大于10 m
观察到光先到达后壁
11.美国科学家宣布，他们探测到引力波的存在。引力波是实验验证爱因斯坦相对论的最后一块缺失的“拼图”，相对论在一定范围内弥补了牛顿力学的局限性。关于牛顿力学，下列说法正确的是(　　)
牛顿力学完全适用于宏观低速物体
牛顿力学取得了巨大成就，是普遍适用的
随着物理学的发展，牛顿力学逐渐成为过时事物理论
由于相对论、量子论的提出，牛顿力学已经失去了它的应有价值
培优加强练
12.如图所示，假设一根10 cm长的梭镖以接近光速的速度穿过一根10 cm长的静止的管子，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(　　)
静止的观察者看到梭镖收缩变短，因此在某个位置，管子能完全遮住梭镖
静止的观察者看到梭镖变长，因此在某个位置，梭镖从管子的两端伸出来
静止的观察者看到两者的收缩量相等，因此在某个位置，管子仍恰好遮住梭镖
如果梭镖和管子都以光速c相向运动，则二者的相对速度是2c
第5节　相对论时空观与牛顿力学的局限性
1.B　[相对论的时空观认为时间和空间与物体及其运动都有关系，故A错误；相对论的时空观认为在不同的惯性参考系中，光的传播速度都是相同的，故B正确；相对论的时空观认为运动物体的长度跟物体的运动快慢有关，故C错误；相对论的时空观认为在高速运动的飞机上，原子钟的计时会变慢，故D错误。]
2.C　[根据公式Δt＝可知，物体的速度越大，其时间进程越慢，故C正确。]
3.A　[根据狭义相对论可知，飞船相对该考生以0.3c的速度匀速飞过时，飞船上的观察者认为该考生考完这场考试所用的时间Δt＝>Δτ，即飞船上的观察者认为该考生考完这场考试所用的时间大于100分钟，选项A正确。]
4.D　[因为人是垂直于速度方向站立的，身高方向上没有发生长度收缩效应，即甲、乙观察到对方的身高都不变，故A、B错误；根据相对论的时间延缓效应，可知乙观察到甲动作变慢，故C错误；根据爱因斯坦光速不变原理知，乙观察到该光束的传播速度仍为c，故D正确。]
5.D　[根据爱因斯坦相对论，在任何参考系中，光速不变，即光速不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变，所以壮壮观测到该光束的传播速度为c，故D正确。]
6.ABD　[经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界。高速公路上行驶的汽车、空气中下落的雨滴、空气中飘浮的肥皂泡都属于宏观、低速范畴，经典力学适用；原子核外电子绕核的转动属于微观现象，经典力学不适用，故A、B、D正确。]
7.AC　[牛顿力学可以用来描述宏观低速运动问题，故牛顿力学适用于描述“墨子号”绕地球运动的规律，故A正确；对于运动速度接近光速的物体的运动，不适合用牛顿力学来描述，故B错误；量子力学可以描述“墨子号”发出的“两道红色的光”的运动规律，因为红光运动速度为光速，所以需考虑相对论效应，使用量子力学描述，故C正确；量子力学和牛顿力学适用范围不同，量子力学适用于高速运动，在宏观低速运动中，牛顿力学仍然适用，不能说牛顿力学已经失去了实用价值，故D错误。]
8.ACD　[牛顿定律适用于惯性参考系，参考系B也是惯性参考系，牛顿定律也同样成立；A和B两个参考系中，一切力学规律都是相同的，故A、C、D正确。]
9.C　[光速不变，列车上观察者以列车为参考系，观察到的是由B发出后经A、C反射的光，由于列车在这段时间内靠近C而远离A，所以C的反射光先到达列车上的观察者，即铁塔C先被照亮，选项C正确。]
10.B　[根据光速不变原理，测得照到前壁的光速等于c，观察到光同时到达前壁和后壁，故A、D错误；根据相对论原理，观测到飞船上的时间进程比教室快，B正确；测得教室的长度小于10 m，C错误。]
11.A　[牛顿力学完全适用于宏观低速运动的物体，A正确；牛顿力学取得了巨大的成就，但它也具有一定的局限性，并不是普遍适用的，B错误；在微观高速下要用量子力学和相对论来解释，但是并不会因为相对论和量子力学的出现，就否定了牛顿力学，牛顿力学仍然是正确的，不会过时也不会失去价值，C、D错误。]
12.A　[梭镖相对于静止的观察者高速运动，根据相对论的长度收缩效应可知，梭镖长度收缩变短，而管子相对于观察者是静止的，同理可知管子长度不变，因此在某个位置，管子能完全遮住梭镖，故A正确，B、C错误；如果梭镖和管子都以光速c相向运动，根据光速不变原理知，二者的相对速度是c，故D错误。](共37张PPT)
第5节　相对论时空观与牛顿力学的局限性
第七章　万有引力与宇宙航行
1.感受牛顿力学在高速世界与事实的矛盾，知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。
2.知道爱因斯坦狭义相对论的基本假设，知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。
3.关注宇宙起源和演化的研究进展。
学习目标
目 录
CONTENTS
知识点
01
随堂对点自测
02
课后巩固训练
03
知识点
1
知识点二　牛顿力学的成就与局限性
知识点一　相对论时空观
知识点一　相对论时空观
　　　如图，在高速运行的列车车厢的顶部有一个反光镜，列车上一个人对着反光镜发射一束光。
思考：列车上的人和地面上的人观察到的光的往返时间是否相同？
提示　不同
1.电磁波与光速
英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了________的存在，并证明电磁波的传播速度等于________。1887年的迈克耳孙—莫雷实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度都是______的。
2.爱因斯坦假设
(1)在不同的______参考系中，物理规律的形式都是______的。
(2)真空中的______在不同的惯性参考系中大小都是______的。
电磁波
光速c
一样
惯性
相同
光速
相同
>
时间延缓效应
惯性参考系
5.相对论时空观：运动物体的长度(空间距离)和物理过程的快慢(时间进程)都跟物体的__________有关。
静止
<
运动状态
角度1　时间延缓效应
例1 如图所示，A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上，B、C分别放在以速度vB和vC朝同一方向飞行的两枚火箭上，且vB答案　C时钟走得最慢　A时钟走得最快
D
角度2　长度收缩效应
例2 假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是(　　)
A.这个人是一个矮胖子
B.这个人是一个瘦高个子
C.这个人矮但不胖
D.这个人瘦但不高
解析　取路旁的人为惯性参考系，车上的人相对于路旁的人高速运动，根据长度收缩效应，人在运动方向上将变窄，但在垂直于运动方向上没有发生变化，故D正确。
相对于地面以速度v运动的物体，从地面上看：
(1)沿着运动方向上的长度变短了，速度越大，变短得越多。
(2)在垂直于运动方向上不发生长度收缩效应现象。　　　　
B
训练1 下列说法中正确的是(　　)
A.在高速运动的火车车厢中央，光源同时向车厢前后两壁发出了一个闪光，地面上的人看到闪光同时到车厢的前后壁
B.在任何惯性参考系中，物体的运动速度都不能超过光速
C.一条沿自身长度方向高速运动的杆，其长度总比杆静止时的长度大
D.同样的两个事件，在不同的参考系中观测，时间间隔都相同
知识点二　牛顿力学的成就与局限性
　　　如图所示，质子束被加速到接近光速，牛顿力学适用于质子束的运动规律吗？
提示　不适用
1.牛顿力学的成就：从地面上物体的运动到天体的运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动，从投出篮球到发射导弹、人造地球卫星、宇宙飞船……所有这些都服从__________的规律。
2.牛顿力学的局限性：电子、质子、中子等微观粒子不仅具有________，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用__________来说明，而__________能够很好地描述微观粒子的运动规律。
3.经典力学的适用范围：只适用于______运动，不适用于______运动；只适用于______世界，不适用于______世界。
牛顿力学
粒子性
牛顿力学
量子力学
低速
高速
宏观
微观
BC
例3 (多选)关于经典力学、狭义相对论和量子力学，下列说法正确的是(　　)
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
解析　相对论并没有否定经典力学，而是认为经典力学是相对论在一定条件下的特殊情况，A错误；经典力学适用于宏观物体的低速运动，对于微观粒子的高速运动问题，经典力学不再适用，但相对论、量子力学适用，故B、C正确，D错误。
A
训练2 下列物理现象，用牛顿力学无法解释的是(　　)
A.高速运动的μ子寿命变长
B.人造卫星绕地球做匀速圆周运动
C.汽车转弯时发生的侧滑现象
D.随瀑布自由下落的物体不受浮力作用
解析　高速运动的μ子寿命变长涉及到高速微观领域，牛顿力学对于高速微观领域不适用，无法解释，故A错误；人造卫星绕地球做匀速圆周运动、汽车转弯时发生的侧滑现象、随瀑布自由下落的物体不受浮力作用均属于低速宏观领域，用牛顿力学可以解释，故B、C、D正确。
随堂对点自测
2
C
1.(光速不变原理)地面上的观察者测得真空中的光速为v1，在匀速直线运动的列车内，观察者测得真空中的光速为v2，根据狭义相对论，下列判断正确的是(　　)
A.v1>v2 B.v1C.v1＝v2 D.无法确定
解析　根据狭义相对论光速不变原理，光在真空中总是以确定的速度传播，在真空中的各个方向上，光信号传播速度的大小均相同，光速同光源的运动状态和观察者所处的惯性系无关，可知v1＝v2，故C正确。
C
2.(时间延缓效应)在一个高速旋转的巨大转盘上放置三个完全相同的时钟，a放在转轴处，b放在中间，c放在边缘处，如图所示。对于地面上的观察者，根据相对论认为三个时钟的快慢情况，下列说法正确的是(　　)
A.a钟最快，b、c钟一样慢
B.a钟最慢，b、c钟一样快
C.a钟最快，c钟最慢
D.a钟最慢，c钟最快
D
3.(长度收缩效应)一高速列车通过洞口为圆形的隧道，列车上的司机对隧道的观察结果为(　　)
A.洞口为椭圆形，隧道长度变短
B.洞口为圆形、隧道长度不变
C.洞口为椭圆形、隧道长度不变
D.洞口为圆形，隧道长度变短
解析　在运动方向上由于有长度收缩效应，故隧道长度变短；在垂直运动方向上，没有长度收缩效应，即洞口为圆形，故D正确。
A
4.(牛顿力学的成就与局限性)下列关于牛顿力学的说法正确的是(　　)
A.牛顿力学适用于宏观、低速(远小于光速)运动的物体
B.牛顿力学适用于微观、高速(接近光速)运动的粒子
C.相对论和量子力学的出现，表明牛顿力学已被完全否定了
D.牛顿力学在理论和实践上取得了巨大的成功，从地面到天体的运动都服从牛顿力学的规律，因此任何情况下都适用
解析　牛顿力学只适用宏观、低速的物体，相对论和量子力学并没有否定牛顿力学，而是认为牛顿力学是相对论在一定条件下的特殊情况，故A正确。
课后巩固训练
3
B
题组一　相对论时空观
1.按照相对论的时空观，下列说法正确的是(　　)
A.时间和空间都是独立于物体及其运动而存在的
B.在不同的惯性参考系中，光的传播速度都是相同的
C.运动物体的长度跟物体的运动快慢无关
D.在高速运动的飞机上，原子钟的计时会变快
对点题组练
解析　相对论的时空观认为时间和空间与物体及其运动都有关系，故A错误；相对论的时空观认为在不同的惯性参考系中，光的传播速度都是相同的，故B正确；相对论的时空观认为运动物体的长度跟物体的运动快慢有关，故C错误；相对论的时空观认为在高速运动的飞机上，原子钟的计时会变慢，故D错误。
C
2.假设兄弟二人，哥哥乘坐宇宙飞船以接近光速的速度离开地球去遨游太空，经过一段时间后返回地球，哥哥惊奇地发现弟弟比自己苍老许多。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.弟弟因思念哥哥而加速生长
C.由相对论可知，物体速度越大，其时间进程越慢，生理进程也越慢
D.这是神话，科学无法解释
A
3.某考生现在正在完成100分钟的期末物理考试，假设一艘飞船相对该考生以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该考生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
D
4.如图所示，质量与身高均相同的甲、乙两人分别乘坐速度为0.6c和0.8c(c为光速)的飞船在太空中同向运动。则下列说法中正确的是(　　)
A.乙观察到甲身高变高
B.甲观察到乙身高变低
C.若甲向乙挥手，则乙观察到甲动作变快
D.若甲向乙发出一束光进行联络，则乙观察到该光束的传播速度为c
解析　因为人是垂直于速度方向站立的，身高方向上没有发生长度收缩效应，即甲、乙观察到对方的身高都不变，故A、B错误；根据相对论的时间延缓效应，可知乙观察到甲动作变慢，故C错误；根据爱因斯坦光速不变原理知，乙观察到该光束的传播速度仍为c，故D正确。
D
5.如图所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮乘坐的飞船的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为(　　)
A.0.4c B.0.5c C.0.9c D.c
解析　根据爱因斯坦相对论，在任何参考系中，光速不变，即光速不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变，所以壮壮观测到该光束的传播速度为c，故D正确。
ABD
题组二　牛顿力学的成就与局限性
6.(多选)牛顿的经典力学能很好地解释下列哪些现象(　 　)
A.高速公路上行驶的汽车 B.空气中下落的雨滴
C.原子核外电子绕核的转动 D.空气中飘浮的肥皂泡
解析　经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界。高速公路上行驶的汽车、空气中下落的雨滴、空气中飘浮的肥皂泡都属于宏观、低速范畴，经典力学适用；原子核外电子绕核的转动属于微观现象，经典力学不适用，故A、B、D正确。
AC
7.(多选)来自中国的量子科学实验卫星“墨子号”从太空发出两道红色的光，射向青海德令哈站与千公里外的云南丽江高美古站，首次实现人类历史上第一次距离达“千公里级”的量子密钥分发。下列说法正确的是(　　)
A.牛顿力学适用于描述“墨子号”绕地球运动的规律
B.牛顿力学适用于描述光子的运动规律
C.量子力学可以描述“墨子号”发出的“两道红色的光”的运动规律
D.量子力学的发现说明牛顿力学已失去了实用价值
解析　牛顿力学可以用来描述宏观低速运动问题，故牛顿力学适用于描述“墨子号”绕地球运动的规律，故A正确；对于运动速度接近光速的物体的运动，不适合用牛顿力学来描述，故B错误；量子力学可以描述“墨子号”发出的“两道红色的光”的运动规律，因为红光运动速度为光速，所以需考虑相对论效应，使用量子力学描述，故C正确；量子力学和牛顿力学适用范围不同，量子力学适用于高速运动，在宏观低速运动中，牛顿力学仍然适用，不能说牛顿力学已经失去了实用价值，故D错误。
ACD
8.(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，一切力学规律都是相同的
D.参考系B也是惯性参考系
解析　牛顿定律适用于惯性参考系，参考系B也是惯性参考系，牛顿定律也同样成立；A和B两个参考系中，一切力学规律都是相同的，故A、C、D正确。
C
9.如图所示，沿平直铁路有间距相等的三座铁塔A、B和C。假
想有一列车沿AC方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪
光，列车上的观察者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是(　　)
A.同时被照亮 B.A先被照亮
C.C先被照亮 D.无法判断
解析　光速不变，列车上观察者以列车为参考系，观察到的是由B发出后经A、C反射的光，由于列车在这段时间内靠近C而远离A，所以C的反射光先到达列车上的观察者，即铁塔C先被照亮，选项C正确。
综合提升练
B
10.如图所示，位于教室中央的光源发出一个闪光，闪光照到了教室的前壁和后壁。教室的长度为10 m。在平行于教室高速运动的太空飞船上的观察者(　　)
A.测得照到前壁的光的速度小于c
B.观测到飞船上的时间进程比教室快
C.测得教室的长度大于10 m
D.观察到光先到达后壁
解析　根据光速不变原理，测得照到前壁的光速等于c，观察到光同时到达前壁和后壁，故A、D错误；根据相对论原理，观测到飞船上的时间进程比教室快，B正确；测得教室的长度小于10 m，C错误。
A
11.美国科学家宣布，他们探测到引力波的存在。引力波是实验验证爱因斯坦相对论的最后一块缺失的“拼图”，相对论在一定范围内弥补了牛顿力学的局限性。关于牛顿力学，下列说法正确的是(　　)
A.牛顿力学完全适用于宏观低速物体
B.牛顿力学取得了巨大成就，是普遍适用的
C.随着物理学的发展，牛顿力学逐渐成为过时事物理论
D.由于相对论、量子论的提出，牛顿力学已经失去了它的应有价值
解析　牛顿力学完全适用于宏观低速运动的物体，A正确；牛顿力学取得了巨大的成就，但它也具有一定的局限性，并不是普遍适用的，B错误；在微观高速下要用量子力学和相对论来解释，但是并不会因为相对论和量子力学的出现，就否定了牛顿力学，牛顿力学仍然是正确的，不会过时也不会失去价值，C、D错误。
A
12.如图所示，假设一根10 cm长的梭镖以接近光速的速度穿过一根10 cm长的静止的管子，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(　　)
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A.静止的观察者看到梭镖收缩变短，因此在某个位
置，管子能完全遮住梭镖
B.静止的观察者看到梭镖变长，因此在某个位置，梭镖从管子的两端伸出来
C.静止的观察者看到两者的收缩量相等，因此在某个位置，管子仍恰好遮住梭镖
D.如果梭镖和管子都以光速c相向运动，则二者的相对速度是2c
解析　梭镖相对于静止的观察者高速运动，根据相对论的长度收缩效应可知，梭镖长度收缩变短，而管子相对于观察者是静止的，同理可知管子长度不变，因此在某个位置，管子能完全遮住梭镖，故A正确，B、C错误；如果梭镖和管子都以光速c相向运动，根据光速不变原理知，二者的相对速度是c，故D错误。

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