5.2相对论时空观同步练习

5.2相对论时空观
一、选择题（共15题）
1．下列说法中正确的是
A．电磁波是纵波
B．单摆的摆长越长，摆动周期越小
C．照相机的镜头涂有一层增透膜， 利用的是光的衍射原理
D．狭义相对论是以相对性原理和光速不变原理这两条基本假设为前提的
2．如图所示，观察者乙乘坐速度为0.8c(c为光在真空中的速度)的列车追赶其正前方的观察者甲，甲乘坐的飞行器速度为0.5c。乙用列车车厢里的光源发出一束光和甲进行联络，由狭义相对论，甲和乙观测到该光束的传播速度分别为（　　）
A．0.2c，c B．0.3c，0.2c C．c，c D．1.3c，0.3c
3．爱因斯坦冲破传统思想的束缚，提出了一种新的观念并建立起相对论，这个新观念是（ ）
A．真空中的光速是自然界中速度的极限
B．牛顿定律仅适用于低速、宏观领域
C．牛顿定律适用于一切领域
D．运动的钟变慢，运动的尺缩短，运动物体的质量变大
4．与相对论有关的问题，下列说法正确的是（ ）
A．火箭内有一时钟，当火箭高速运动后，此火箭内观察者发现时钟变慢了
B．力学规律在任何惯性参考系中都是相同的
C．一根沿自身长度方向运动的杆，其长度总比静止时的长度要长些
D．高速运动物体的质量会变小
5．下列描述中正确的是
A．相对论和量子力学的出现说明人类对自然界的认识更加广泛和深入，那么经典力学就失去了它的意义
B．交流感应电动机就是利用电磁阻尼的原理工作的
C．地磁场在北半球的上空有垂直于地表向上的磁场分量
D．电流通过纯电阻电路做功时，电能全部转化为该电路的内能
6．某物体在静止时的质量为，在速度为v的高速（接近光速）情况下质量为m，则由狭义相对论可知物体速度v为（ ）
A． B．
C． D．
7．下列说法正确的是（　　）
A．单摆的摆球在通过最低点时合外力等于零
B．有些昆虫薄而透明的翅翼上出现彩色光带是薄膜干涉现象
C．变化的电场一定产生变化的磁场，变化的磁场一定产生变化的电场
D．一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度大
8．有兄弟两人，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，经过一段时间返回地球，哥哥惊奇地发现弟弟比自己要苍老许多，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，物体上的时间进程越慢，生理进程也越慢
D．这是神话，科学无法解释
9．如下图所示，惯性系S中有一边长为l的立方体，从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上观察该立方体的形状是（　　）
A． B．
C． D．
10．下列叙述错误的是（　　）
A．激光的反射也遵循反射定律
B．振荡的磁场会产生同频率的振荡的电场
C．只有声波才能发生多普勒效应
D．真空中的光速在不同的惯性参考系中测得的数值都是相等的
11．下列说法错误的是（ ）
A．考虑相对论效应，长度、时间的测量结果都随物体与观察者相对运动状态而改变
B．一切物理规律在不同的惯性系中是平权的
C．圆屏阴影中心的亮斑（泊松亮斑）是光波叠加造成的
D．在光的双缝干涉实验中，条纹间距与缝的宽度成正比
12．爱因斯坦是近代最著名的物理学家之一，曾提出许多重要理论，为物理学的发展做出过卓越贡献，下列选项中不是他提出的理论是（　　）
A．物质波理论 B．相对性原理 C．光速不变原理 D．质能关系式
13．物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识，推动了科学技术的革命与创新。下列关于物理学发展的表述正确的是（　　）
A．光的偏振现象说明了光是一种横波，立体电影就用到了这一特点
B．把需要传递的信号加在载波上的过程叫调谐
C．托马斯·杨的双缝干涉实验证明了光具有粒子性
D．爱因斯坦的狭义相对论的两个基本假设之一是光速不变原理
14．下列说法正确的是（　　）
A．除了光源直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光都是偏振光
B．相对论认为真空中的光速在不同的惯性参考系中是不相同的
C．光的衍射现象否定了光的直线传播
D．肥皂泡在阳光下呈现彩色条纹是光的干涉现象造成的
E．圆屏阴影中心的亮斑（泊松亮斑）是光的衍射现象造成的
15．下列说法正确的是（　　）
A．人耳听到的声波比超声波更容易发生明显衍射现象
B．在双缝干涉实验中，光的频率越高，光屏上出现的条纹越宽
C．梳头发时梳子带了电荷，来回抖动梳子时会向外发射电磁波
D．狭义相对论认为，在惯性系中，光速与光源、观察者间的相对运动无关
E．火车鸣笛向我们驶来，我们听到的声音频率比声源振动的频率低
二、填空题
16．在行进的火车车厢中测站台上的两根柱子之间的距离为L1，在站台上测这两根柱子之间的距离为L2，则L1__________L2（选填“小于”“大于”或“等于”）。
17．地球与月球相距为L0，若飞船以接近光速的速度v经过地球飞向月球，地面上的人测得飞船经过t1时间从地球到达月球，在飞船内宇航员测得飞船经过t2时间从地球到达月球，则t1________(选填“>”“＝”或“<”)t2；在飞船内宇航员测得地球、月球相距为L，则L________(选填“>”“＝”或“<”)L0.
18．宇宙飞船相对于地面以速度v=0.1c匀速直线运动，c为光速。某时刻飞船头部的飞行员向尾部平面镜垂直发出一个光信号，反射后又被头部接收器收到，飞船仪器记录了光从发射到接受经历时间为t0，则地面观察者观测光被平面镜反射前后的速度______（相等、不等），地面观察者观测光从发射到接受过程经历时间t______t0（大于、等于、小于）
19．质量m = 1.67 × 10 - 27kg的质子在高能粒子加速器中被加速到动能Ek = 1.60 × 10 - 10J。某同学根据推算出该质子速度大小v = 4.38 × 108m/s（计算无误），计算的结果是____________（选填“合理”“不合理”），理由___________。
三、综合题
20．地球绕太阳公转的速度是3×104 m/s，设在美国伊利诺斯州费米实验室的圆形粒子加速器可以把电子加速到0.999 999 999 987倍光速的速度，请思考：
（1）在狭义相对论中，地球的公转速度属于低速还是高速？被加速器加速后的电子的速度属于低速还是高速？
（2）在地面上校准的两只钟，一只留在地面上，一只随宇宙飞船遨游太空，隔一段时间飞船返回地面时，两只钟显示的时间相同吗？有什么差别？
21．一个立方体的静止体积为，当它相对某惯性系沿一边长方向以v匀速运动时，静止在惯性系中的观察者测得其体积为多少？
22．狭义相对论的两个前提为什么叫作假设 两个基本假设又是如何经过实践检验的
23．一支静止时长为l的火箭以速度v从观察者的身边飞过。
(1)火箭上的人测得的火箭长度应为多少？
(2)观察者测得的火箭长度应为多少？
(3)如果火箭的速度变为光速的二分之一，观察者测得的火箭长度应为多少？
试卷第1页，共3页
参考答案：
1．D
【详解】
A．电磁波是横波，A项错误；
B．根据得出摆长越长，摆动周期越大，B项错误；
C．增透膜利用的是光的干涉原理，C项错误；
D．狭义相对论是以相对性原理和光速不变原理这两条基本假设为前提的，D项正确。
故选D。
2．C
【详解】
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。所以宝宝观测到该光束的传播速度为c，所以ABD错误，C正确。
故选C。
3．A
【详解】
A．爱因斯坦提出了相对论，它认为真空中的光速是自然界中速度的极限，故A正确；
BC．牛顿定律是经典物理学的基础，它仅适用于低速、宏观领域，并不适用于一切领域，但这不是爱因斯坦提出的新观念，爱因斯坦提出的是相对论的观念，故BC错误；
D．运动的钟变慢，运动的尺缩短，运动物体的质量变大，这是爱因斯坦狭义相对论的几个重要的效应，不是新的观念，故D错误。
故选A。
4．B
【详解】
A．当火箭高速运动后，火箭内观察者相对于时钟的速度仍然是0，所以发现时钟的快慢不变，故选项A错误；
B．力学规律在任何惯性参考系中都是相同的，故选项B正确；
C．根据尺缩效应，沿尺子长度方向运动的尺子长度比静止的尺子长度短，当速度接近光速时，尺子缩成一个点，故选项C错误；
D．高速运动物体的质量是会变大的，所以牛顿运动定律不适合高速运动的物体，故选项D错误。
故选B。
5．D
【详解】
试题分析：相对论和量子力学的出现说明人类对自然界的认识更加广泛和深入，经典力学仍然有它的意义，故选项A错误；交流感应电动机是利用通电导体在磁场中受力转动的原理工作的，选项错误；地磁场在北半球的上空有垂直于地表向下的磁场分量，故选项C错误；电流通过纯电阻电路做功时，电能全部转化为该电路的内能，故选项D正确．
6．B
【详解】
根据
可得
故选B。
7．B
【详解】
A．单摆的摆球在通过最低点时，回复力等于零，而合外力一定不等于零，故A错误；
B．薄而透明的羽翼上出现彩色光带，是由于羽翼前后表面反射，进行相互叠加，是薄膜干涉现象，故B正确；
C．均匀变化的电场产生稳定磁场，非均匀变化的电场产生非均匀变化的磁场，故C错误；
D．根据相对论，则有沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度短，故D错误。
故选：B。
8．C
【详解】
上述故事反映的是爱因斯坦的相对论，爱因斯坦是20世纪伟大的科学家之一，提出相对论，揭示了空间、时间的辩证关系．根据爱因斯坦的相对论，物体高速运动时，运动物体的尺寸变短了，时针变慢了，因此运用爱因斯坦的相对论，可以解释题目中的现象，即物体速度越大，物体上的时间进程越慢，生理进程也越慢．故选C．
9．D
【详解】
根据相对论效应可知，沿x轴方向正方形边长缩短，沿y轴方向正方形边长不变。
故选D。
10．C
【详解】
A．激光的反射也遵循反射定律，故A正确，不符合题意；
B．根据电磁波理论可知，振荡的磁场会产生同频率的振荡的电场，故B正确，不符合题意；
C．所有类型的波都能发生多普勒效应，故C错误，符合题意；
D．真空中的光速在不同的惯性参考系中测得的数值都是相等的，故D正确，不符合题意。
故选C。
11．D
【详解】
A、考虑相对论效应，长度、时间的测量结果都随物体与观察者相对运动状态而改变；故A正确．
B、一切物理规律在不同的惯性系中是平权的．故B正确．
C、圆屏阴影中心的亮斑（泊松亮斑）是光波的叠加产生明显的衍射造成的；故C正确．
D、根据，知条纹的间距与缝的宽度不成正比；故D错误．
本题选错误的故选D．
12．A
【详解】
质能方程、光电效应方程、相对性原理、光速不变原理都是爱因斯坦的理论，而物质波理论不是爱因斯坦的理论，是德布罗意提出的理论，又称德布罗意波，故选项A符合题意，选项BCD不符合题意．
故选A。
13．AD
【详解】
A．光的偏振现象说明光是一种横波，立体电影就用到了这一特点。故A正确；
B．把需要传递的信号加在载波上的过程叫调制，故B错误；
C．托马斯·杨的双缝干涉实验证明了光具有波动性，故C错误；
D．爱因斯坦的狭义相对论的两个基本假设之一是光速不变原理，故D正确。
故选AD。
14．ADE
【详解】
A．除了光源直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光都是偏振光，故A正确；
B．相对论认为真空中的光速在不同的惯性参考系中是相同的，这是相对论的两个基本假设之一，故B错误；
C．光的直线传播是近似规律，光的衍射现象并没有否定光的直线传播的结论，故C错误；
D．肥皂泡在阳光下呈现彩色条纹是肥皂膜内外反射的光线，相互叠加产生的现象，这是光的干涉现象造成的，故D正确；
E．圆屏阴影中心的亮斑（泊松亮斑）是光绕过阻碍物射到中心位置，这是光的衍射现象造成的，故E正确；
故选ADE。
15．ACD
【详解】
A．超声波比人耳听到的声波波长短，而波长越长越容易发生光的衍射，所以人耳听到的声波比超声波更容易发生明显衍射现象，A正确；
B．根据双缝干涉实验中相邻亮（暗）条纹的间距公式
可知，光的频率越高，波长越短，光屏上出现的条纹越窄，所以B错误；
C．梳头发时梳子带了电荷，来回抖动梳子时会产生变化的电磁场，即可向外发射电磁波；所以C正确；
D．狭义相对论认为，在惯性系中，光速与光源、观察者间的相对运动无关，所以D正确；
E．火车鸣笛向我们驶来，即波源与观察者相互靠近，我们听到的声音频率比声源振动的频率高，所以E错误。
故选ACD。
16．小于
【详解】
根据相对论原理中的“尺缩效应”可知，在行进的火车车厢中测站台上的两根柱子之间的距离为L1小于静止时两柱子之间的距离L2。
17． > <
【详解】
根据相对论长度公式
可知，飞船驾驶员观测到地球、月球两点距离小于地面上人观测的距离，即
L＜L0
根据位移与速度的比值，则时间为
而船驾驶员测量地球、月球两点时间是
所以
t1>t2
18． 相等 大于
【详解】
根据光速不变原理，地面观察者观测光被平面镜反射前后的速度不变，即平面镜反射前后的速度相等；
飞船仪器记录了光从发射到接受经历时间为；在根据相对论时空观，地面观察者观测光从发射到接受过程经历时间 满足
即
19． 不合理 见解析
【详解】
根据相对论运动物体的质量
m =
其中m0是物体的静止质量，动能的计算公式仅适用于低速物体，对于高速运动物体已经不再适用，由该同学的计算可知，求出的质子速度大于光速，动能的计算公式已经不再适用，因此该同学得出的数值不合理。
20．（1）地球的公转速度属于低速，被加速器加速后的电子的速度属于高速；（2）不相同，随飞船旅行的时钟变慢。
21．
【详解】
设立方体边长为L，则
根据相对论原理，沿速度方向的长度变为
则体积
22．1905年爱因斯坦提出的狭义相对论是以相对性原理和光速不变原理这两条基本假设为前提的。虽然相对论的两个假设可以由迈克尔逊-莫雷实验直接推出，但毕竟是有限的几次实验，只有用这个假设得出大量的结论与事实相符时，它们才能成为真正意义上的原理，这才是科学的态度，所以狭义相对论仍然叫假设。
23．(1)l；(2)；(3)
【详解】
解：(1)火箭上的人测得的火箭长度与火箭静止时测得的长度相同，即为l。
(2)沿着火箭的方向，火箭以速度υ相对观察者运动，观察者测得的长度变短，由长度收缩效应公式知
其中c为真空中的光速。
(3)将代入长度收缩效应公式得
答案第1页，共2页