２ 相对论时空观简介和宇宙的起源和演化练习（Word版含解析）

第五章　经典力学的局限性与相对论初步
2 相对论时空观简介
3 宇宙的起源和演化
基础过关练
题组一　相对论时空观
1.下列说法中正确的是 (　　)
A.经典力学适用于任何情况下的任何物体
B.狭义相对论否定了经典力学
C.量子力学能够描述微观粒子运动的规律性
D.万有引力定律也适用于很强的相互作用力
2.话说有兄弟两个,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
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
3.如图所示,按照狭义相对论的观点,火箭A是迎着光行驶的,火箭B是“追赶”光的,若火箭相对地面的速度为v,则两火箭上的观察者测出的光速分别为 (　　)
A.c+v　c-v　　　　　　B.c-v　c+v
C.c　c　　　　　　D.无法确定
4.A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处,vA>vB。在火箭A上的人观察到的结果正确的是 (　　)
A.火箭A上的时钟走得最快
B.地面上的时钟走得最快
C.火箭B上的时钟走得最快
D.火箭B上的时钟走得最慢
5.一列火车以接近光速的速度从我们身边飞驶而过,我们会感到车厢、车窗变窄了,而车厢、车窗的高度并没有变化,那么车厢内的人看路旁的电线杆间距将会 (　　)
A.变窄　　　　　　B.变宽
C.不变　　　　　　D.都有可能
6.假设地面上有一列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
7.半人马星座α星是离太阳系最近的恒星,它距离地球为4.3×1016 m。设有一宇宙飞船自地球往返于半人马星座α星之间。
(1)若宇宙飞船的速率为0.999c,按地球上时钟计算,飞船往返一次需多少时间
(2)如以飞船上时钟计算,往返一次的时间又为多少
题组二　宇宙的起源和演化
8.根据宇宙大爆炸的理论,在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期,那么在大爆炸之后最早产生的粒子是 (　　)
A.夸克、轻子、胶子等粒子
B.质子和中子等强子
C.光子、中微子和电子等轻子
D.氢核、氘核、氦核等轻核
9.关于宇宙的演化问题一直得到物理学家们的高度关注。2019年的诺贝尔物理学奖得主之一詹姆斯·皮布尔斯对宇宙大爆炸理论的发展做出了巨大贡献。宇宙大爆炸理论认为:宇宙起源于137亿年前的一次大爆炸。在演化至今的大部分时间内,宇宙是膨胀的。宇宙是否会一直膨胀下去与宇宙物质的平均密度有关。假如平均密度小于某个值,宇宙就将永远膨胀下去。假如平均密度大于某个值,宇宙膨胀后可能又会收缩。这个值被称为宇宙的临界密度,临界密度的计算公式为ρ0=H2,其中G为引力常量,H为哈勃常数。根据所学知识可以判断 (　　)
A.哈勃常数只是一个数值,没有单位
B.哈勃常数与质量有关,其国际单位是kg
C.哈勃常数与时间有关,其国际单位是s-1
D.哈勃常数与长度有关,其国际单位是m
答案全解全析
基础过关练
1.C　经典力学只适用于宏观、低速、弱引力的情况,故A错误;狭义相对论没有否定经典力学,在宏观低速情况下,相对论的结论与经典力学没有区别,故B错误;量子力学正确描述了微观粒子运动的规律,故C正确;万有引力定律只适用于较弱的相互作用力,而对于很强的相互作用力是不适用的,故D错误。
2.C　根据公式τ=可知,物体的速度越大,其时间进程越慢。
3.C　根据光速不变原理,在一切惯性参考系中,测量到的真空中的光速c都一样,因此在火箭A、B两个惯性参考系中,观察者测量到的光速一样大,均为c,故C正确。
4.A　在火箭A上的人看来,地面和火箭B都高速远离自己,由τ=知,在火箭A上的人观察到的结果是地面和火箭B的时钟都变慢了,且vA>vB,故地面的时钟最慢,因此A正确,B、C、D错误。
5.A　火车相对地面以接近光速的速度向前飞驶,如果以火车为参考系,地面向后飞驶,根据尺缩效应知电线杆间距变窄。
6.D　由公式l=l0可知,在运动方向上,人的宽度要减小,在垂直于运动方向上,人的高度不变。
7.答案　(1)2.87×108 s　(2)1.28×107 s
解析　(1)由于题中恒星与地球的距离s和宇宙飞船的速度v均是地球上的观察者测量的,故飞船往返一次,地球时钟所测时间间隔
Δt==2.87×108 s。
(2)可从相对论的时间延缓效应考虑。把飞船离开地球和回到地球视为两个事件,显然飞船上的时钟测出两事件的时间间隔Δt'是固定的,地球上所测的时间间隔Δt与Δt'之间满足时间延缓效应的关系式。以飞船上的时钟计算,飞船往返一次的时间间隔为
Δt'=Δt=1.28×107 s。
8.A　宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子,之后又经历了质子和中子等强子时代,再之后是自由的光子、中微子、电子大量存在的轻子时代,再之后是中子和质子结合成氘核,并形成氦核的核时代,之后电子和质子复合成氢原子,最后形成恒星和星系,因此A正确,B、C、D中的粒子都产生在A之后,故B、C、D错。
9.C　由公式F=G,其单位为N·m2· kg-2,由ρ0=,则其单位为,则哈勃常数与时间有关,其国际单位是s-1,故A、B、D错误,C正确。