- 相对论简介
- 共183题
假如有一对孪生兄弟A和B,其中B乘坐速度为v=0.9c的火箭飞往大角星(牧夫座a),而后又飞回地球。根据A在地球上的观测,大角星离地球有40光年远,这次B往返飞行经历时间为80.8年。如果B在离开地球时,他们的年龄都为20岁,试问当B回到地球时,他们的年龄各有多大?
正确答案
解:设B在飞船惯性系中经历时间为t′
根据尺缩效应得:t=
即80.8=
解得:t′=35.2年
所以B回到地球时的年龄为20+35.2=55.2(年)
即:A的年龄为100.8岁,B的年龄为55.2岁
沿铁道排列的两电杆正中央安装一闪光装置,光信号到达一电杆称为事件1,到达另一电杆称事件2。从地面上的观察者和运动车厢中的观察者看来,两事件是否都是同时事件?
正确答案
答:在地面观察者看来,事件1、2同时发生。从车厢中观察者看来,事件2比事件1先发生。
长度测量与被测物体相对于观察者的运动有关,物体在运动方向长度缩短了。一艘宇宙飞船的船身长度为L0=90 m,相对地面以u=0.8c的速度在一观测站的上空飞过。
(1)观测站测得飞船的船身通过观测站的时间间隔是多少?
(2)宇航员测得船身通过观测站的时间间隔是多少?
正确答案
解:(1)观测站测得船身的长度为L=L0
通过观测站的时间间隔为
(2)宇航员测得飞船船身通过观测站的时间间隔为
一张正方形的宣传画,正贴在铁路旁的墙上,一高速列车驶过时,在车上的司机看来这张宣传画变成了什么样子?
正确答案
宣传画成了长方形,此画的高度不变,宽度变窄了。
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“<”)。
正确答案
=,>
(4分)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“<”).
正确答案
= >
略
设想地球上有一观察者测得一宇宙飞船以0.60c的速率向东飞行,5.0s后该飞船将与一颗以0.80c的速率向西飞行的彗星相碰撞,试问:
(1)飞船中的人测得彗星将以多大的速率向它运动?
(2)从飞船中的时钟来看,还有多少时间允许它离开航线,以避免与彗星碰撞?
正确答案
解:(1)这是一个相对论速度变换问题,取地球为S系,飞船为S'系,向东为x轴正向,则S'系相对S系的速度v=0.60c,彗星相对S系的速度ux=-0.80c
由速度变换公式可得所求结果,结果
即彗星以0.946c的速率向飞船靠近
(2)由时间间隔的相对性有
解得△t'=4.0 s
当火车速度非常接近光速时,相对地面的参考系来说,火车和它里面的一切物体沿运动方向将缩短得像薄纸片一样。火车上的人也认为地面上的一切物体都沿火车运动的方向变薄了。
一列匀速直线前进的火车,车厢地板上A处有一盏灯,在灯的正上方车厢顶B处有一面镜子,AB的高为h。现在我们要完成一个光学实验:打开灯的开关,光信号从A到B,再由镜面反射回到A处。车厢里站着一个观测者小明;站台上站一个观测者小芳,如图所示。
请问小明和小芳所测得的光信号往返时间各是多少?它们相等吗?
正确答案
解:在车厢里的小明观测到,光信号走过的距离是2h,因此往返时间
而在站台上的小芳观测到,光信号走过的距离应为路径ACA',光信号在从灯传递到镜子的过程中,火车向前移动了一段距离,镜子已跟随车厢移动到C,灯也从A移动到D。光信号再从镜子反射到灯的过程中,灯已从D移动到A'。设火车的速度为v,小芳所测得的光信号往返时间为△T。根据光速不变原理,ACA'=c△T,应用勾股定理可得
这里用到了相对论的第二个假设,即对地面参考系来说,光速也是c
以上两式消去h可得
因为所以总有△T>△T'
这是一个令人吃惊的结论:光信号往返的时间,地面上的人(小芳)和车厢里的人(小明)测量的结果不一样,地面上的人测得的时间(△T)要比车厢里的人测得的时间(△T')长些
故小明观测的时间,小芳观测的时间
,显然两者不相等
π+介子是一种不稳定粒子,平均寿命是2.6×10-8 s (在自己的参考系中测得)。
(1)如果此粒子相对于实验室以0.8c的速度运动,那么在实验室坐标系中测量的π+介子寿命多长?
(2)π+介子在衰变前运动了多长距离?
正确答案
解:(1)π+介子在实验室中的寿命为
(2)该粒子在衰变前运动的距离为x=v△t=0.8×3×108×4.3×10-8 m=10.32 m
广州的一个人在听到收音机报时:“刚才最后一响是北京时间7点整”的时候,他在最后一响时,把表对到7点整,北京的钟和广州的钟是一致的吗?怎样才能使它们一致?
正确答案
广州的人听到报时声时,北京的钟已到达7点整一段时间了,所以不一致,北京的钟先到7点整。要想两地的钟一致,必须在北京和广州的连线的中点报时,两地同时拨钟才会一致。
假如有一对孪生兄弟A和B,其中B乘坐速度为v=0.9c的火箭飞往大角星(牧夫座a)而后又飞回地球,根据A在地球上的观测,大角星离地球有40万光年远,这次B往返飞行经历时间为80.8年。如果B在离开地球时,他们的年龄都为20岁,试问当B回到地球时,他们的年龄各有多大?
正确答案
解:设B在火箭惯性系中经历的时间为t',根据尺缩效应得,即80.8
解得t'=35.2年,所以B回到地球时的年龄为20+35.2=55.2(岁)
故A的年龄为100.8岁,B的年龄为55.2岁
π介子与质子相碰可产生其他粒子。其中有一种k0粒子,它经d=1×10-1m的距离便衰变成两个具有相反电荷的π介子。若k0粒子的速率为v=2.24×108m/s,试求其固有寿命。
正确答案
解:k0=2.24×108m/s,是光速的70%以上,应该用相对论解题。在实验室中测得的粒子运动的时间间隔为
t==
s=4.5×10-10s
根据时间延缓效应
t=
t0=t=4.5×10-10×
s=3.0×10-10s
在实验室中测得以速度0. 8c运动的π介子的平均寿命为4×10-8秒,问与π介子一起运动的观察者认为π介子的平均寿命是多少?
正确答案
解:相对于π介子运动的实验室中测得π介子的平均寿命为△t,则相对于π介子静止的参考系测得π介子的平均寿命为
一张宣传画是边长为5m的正方形,一高速列车以2×108m/s的速度接近此宣传画,在司机看来,这张宣传画是什么样子?
正确答案
解:在垂直于列车运动的方向上,画的高度不变;在沿列车运动的方向,由“长度收缩”效应:3.7m。故在司机看来,画高5 m,宽3.7m
原长为15m的飞船以v=9×103m/s的速率相对地面匀速飞行时,从地面上测量,它的长度是多少?假设飞船的速率v=0.95c,从地面上测量,它的长度又是多少?
正确答案
解:当飞船的速度为v=9×103m/s时
l=l0=15×
m=14.999 999 98m
当飞船的速率v=0.95c时,l′=l0=15×
m=4.68m
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