5.2相对论时空简介 课后练习（Word版含答案）

5.2相对论时空简介
一、选择题（共15题）
1．若宇宙飞船是全封闭的，航天员与外界没有任何联系，当他发现飞船内没有支撑的物体都以某一加速度落向舱底时，他作出的如下判断中，正确的是（ ）
A．此飞船一定是停在某个星球的表面上
B．此飞船一定是正在远离任何天体的空间加速飞行
C．此飞船可能是停在某个星球的表面上，也可能是正在远离任何天体的空间加速飞行
D．此飞船可能是在远离任何天体的空间中匀速飞行
2．如图所示，小明乘速度为（c为光速）的宇宙飞船追赶正前方的小军，小军的飞行速度为，小明向小军发出一束光进行联络，则小明观测到该光束的传播速度为（　　）
A． B． C． D．
3．在狭义相对论中，下列说法中正确的是（　　）
A．一切运动物体相对于观察者的速度都不能大于真空中的光速
B．狭义相对性原理指出，力学规律在任何参考系中都是相同的
C．在一惯性系中发生于同一时刻、不同地点的两个事件在其他一切惯性系中也是同时发生
D．在地面附近有一高速飞过的火箭，地面上的人观察到火箭变长了
4．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
5．下列说法中正确的是（　　）
A．机械波和电磁波都能在真空中传播
B．铁路，民航等安检口使用红外线对行李内物品进行检测
C．根据狭义相对论的原理知，在不同的惯性参考系中，物理规律都是不相同的
D．变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场
6．下面说法错误的是（ ）
A．滑动摩擦力有可能做正功，也有可能做负功
B．重力势能的变化与零势能面的选取无关
C．由于能量守恒，所以我们不需要节能
D．在狭义相对论中，物体的质量会随物体的速度的变化而变化
7．下列说法正确的是
A．伽利略发现了行星运动的规律
B．库仑定律适用于点电荷，点电荷其实就是体积很小的球体
C．最早将实验和逻辑推理(包括数学演算)和谐地结合起来，从而发展了人类的科学思维方式和科学研究方法的科学家是牛顿
D．爱因斯坦是最先预言了引力波的科学家
8．下列对爱因斯坦质能方程的理解正确的是（ ）
A．中能量E其实就是物体的内能
B．公式适用于任何类型的能量
C．由知质量与能量可以相互转化
D．不适合用来计算电池中的化学能
9．下列说法正确的是（ ）
A．世界的过去、现在和将来都只有量的变化，而不会发生质的变化
B．时间和空间不依赖人们的意识而存在
C．时间和空间是绝对的
D．时间和空间是紧密联系、不可分割的
10．说法正确的是
A．爱因斯坦认为真空中光速在不同惯性系中相同
B．从接收到的高频振荡电流中分离出所携带的有用信号的过程叫调谐
C．均匀变化的磁场产生均匀变化的电场向外传播就形成了电磁波
D．激光和自然光都是偏振光
11．一张长方形宣传画长5m、高3m，平行地贴于铁路旁边的墙上，一超高速列车以0.8c的速度接近此宣传画，这张画由司机测量的图形是（　　）
A．边长为3m的正方形
B．长为3m、高为1.8m的长方形
C．长为5m、高为1.8m的长方形
D．长轴为3m、短轴为1.8m的椭圆形
12．如图所示，在一个高速转动的巨大转盘上放着、、三个时钟，下列说法正确的是（ ）
A．时钟走时最慢，时钟走时最快
B．时钟走时最慢，时钟走时最快
C．时钟走时最慢，时钟走时最快
D．时钟走时最慢，时钟走时最快
13．以下关于波与相对论的说法，正确的是（　　）
A．无论什么波，只要振幅足够大就可以产生明显的衍射现象
B．根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场周围一定可以产生电磁波
C．波源与观察者互相靠近或者互相远离时，观察者接收到的频率都会发生变化
D．火车以接近光速行驶时，我们在地面上测得车厢前后距离变小了，而车厢的高度没有变化
14．下列选项中，属于伽利略贡献的是（ ）
A．对自由落体运动规律进行了探索
B．提出了相对论原理，开创了实验科学
C．在动力学的基本原理上做出了奠基性的重要贡献
D．利用归纳——演绎法总结出了万有引力定律
15．下列说法正确的是
A．迈克耳逊莫雷实验结果表明：不论光源与观察者怎样相对运动，光速都是一样的
B．太阳光通过三棱镜形成彩色光带是光的干涉现象
C．波源与观察者互相靠近和互相远离时，观察者接收到的波的频率不同
D．光的双缝干涉实验中，若仅将入射光从红光改为紫光，则相邻亮条纹间距一定变大
二、填空题
16．甲、乙两架太空战机以相同的速度在一条直线上匀速飞行，甲向乙发出一条无线电指令，乙显示经过t0时间接受到指令，已知光速为c，则在甲、乙看来，该无线电指令传播的速度_______c(选填>、=、<)； 地面指挥中心认为从甲发出指令到乙接受到指令的时间间隔是t，t___t0(选填>、=、<)
17．如图所示，某车沿水平方向高速行驶，车厢中央的光源发出一个闪光，闪光照到了车厢的前、后壁，则地面上的观察者认为该闪光______选填“先到达前壁”、“先到达后壁”或“同时到达前后壁”，同时他观察到车厢的长度比静止时变______选填“长”或“短”了。
18．在高速行进的火车车厢正中的闪光灯发一次闪光向周围传播，闪光到达车厢后壁时，一只小猫在车厢后端出生，闪光到达车厢前壁时，两中小鸡在车厢前端出生．则火车上的人看这件事，猫和鸡中出生时间关系是_________________(鸡先出生或猫先出生或同时出生)，在地面上的人看这件事，是__________(鸡先出生或猫先出生或同时出生)
19．下列说法正确的是( )
A．在受迫振动中，振动系统的振动频率仅由驱动力频率决定，与振动系统无关．
B．人站在铁轨上看到火车匀速远去，人听到的汽笛声的频率会逐渐降低．
C．泊松亮斑说明光具有波动性．
D．在任何惯性参考系中，光速总是不变的
E．LC振荡回路中，电流最小时，电容器的电压一定会处于最大值．
三、综合题
20．查阅资料，了解时空弯曲的天文学依据，写一篇相关的科技报道，在班组会上交流。
21．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大？
22．在粒子对撞机中，有一个电子经过高压加速，速度达到光速的0.5倍。试求此时电子的质量变为静止时的多少倍？
23．假设某太空飞船的长度为，一站在地面上的观察者观察到该太空飞船相对自己沿太空飞船长度方向以速度从正上方飞过。则：
(1)地面上的观察者测量的太空飞船飞过该观察者的时间为多少？
(2)太空飞船上的人测量的太空飞船飞过观察者的时间为多少？
试卷第1页，共3页
参考答案：
1．C
【详解】
根据等效原理可知，可能是飞船处于某个星球的引力场中，也可能是飞船正在远离任何天体的空间加速飞行。
故选C。
2．D
【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，所以小明观测到该光束的传播速度为c。
故选D。
3．A
【详解】
A．在狭义相对论中，速度的极限是光速，一切运动物体相对于观察者的速度都不能大于真空中的光速，故A正确；
B．在任何惯性参考系中，力学规律是相同的，在非惯性参考系中，力学规律是不同的，故B错误；
C．根据狭义相对论可知，一惯性系中发生于同一时刻，不同地点的两个事件，在其他一切惯性系中不是同时发生，故C错误；
D．地面附近有一高速飞过的火箭，地面上的人观察到火箭变短了，故D错误。
故选A。
4．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．
5．D
【详解】
A．机械波的传播需要介质，故A错误；
B．红外线热效应显著，而穿透本领较弱，不能用来安检，铁路、民航等安检口使用x射线对行李内物品进行检测，故B错误；
C．根据相对论的基本原理得知：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，故C错误；
D．根据电磁场理论可知，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，故D正确。
故选D。
6．C
【详解】
滑动摩擦力的方向与物体相对运动方向相反，但与物体的运动方向可以相反，也可以相同，故可以做负功，也可以做正功，故A正确；重力势能与零势能面的选取有关，重力势能的变化与零势能面的选取无关，选项B正确；能量虽然是守恒的，但可利用的能源并不是取之不尽用之不竭的，所以需要节约能源，故C错误；在狭义相对论中，物体的质量会随物体的速度的变化而变化，选项D正确；此题选择不正确的选项，故选C.
7．D
【详解】
A：开普勒发现了行星运动的规律，故A项错误．
B：库仑定律适用于点电荷．点电荷是一种理想化模型，如果在研究的问题中，带电体的形状、大小以及电荷分布可以忽略不计，就可以把带电体看作点电荷．故B项错误．
C：最早将实验和逻辑推理(包括数学演算)和谐地结合起来，从而发展了人类的科学思维方式和科学研究方法的科学家是伽利略．故C项错误．
D：爱因斯坦是最先预言了引力波的科学家，故D项正确．
8．B
【详解】
A．中能量包括静质能和动能，而非物体的内能，A错误；
BD．也可以计算电池中的化学能，适用于任何类型的能量，B正确，D错误；
C．物体具有的质量与质量对应的能量称为质能，表明质量与能量之间存在一一对应的关系，物体吸收或放出能量，则对应的质量会增加或减少，质量与能量并没有相互转化，C错误。
故选B。
9．D
【详解】
根据狭义相对论的观点，时间和空间都不是绝对的，都是相对的，时间和空间不能割裂，是紧密联系的。所以选项ABC错误，选项D正确；
故选D。
10．A
【详解】
A、爱因斯坦在相对论中认为真空中光速在不同惯性系中相同，故A正确；
B、解调是从携带消息的已调信号中恢复消息的过程．所以从调谐电路接受到的高频振荡电流中，还原出声音信号的过程叫解调，故B错误；
C、只有周期性变化的磁场才能产生周期性变化的电场，从而形成电磁波，均匀变化的磁场产生恒定的电场，不能产生电磁波，故C错误；
D、自然光是沿各个方向振动，而偏振光沿特定方向振动，激光是偏振光，故D错误．
11．A
【详解】
一张长方形宣传画长5m、高3m，平行地贴于铁路旁边的墙上，一超高速列车以0.8c的速度接近此宣传画，根据相对论效应
司机测量时宣传画的长度变成，即图形是边长为3m的正方形，故选项A正确，选项BCD错误．
故选A.
12．C
【详解】
A、B、C三个时钟中，C相对于地面的速度最大，A相对于地面的速度最小；由可知，C时钟走时最慢，A时钟走时最快，故选项C正确．
13．CD
【详解】
A．能否产生产生明显的衍射现象看障碍物与波长的尺寸关系，与振幅无关，当障碍物的尺寸小于波长或与波长差不多时能产生明显的衍射现象，故A错误；
B．根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场周围一定可以产生磁场，但不一定能产生电磁波，只有周期性变化的电场周围才一定可以产生电磁波．故B错误；
C．波源与观察者互相靠近或者互相远离时，会产生多普勒效应，观察者接收到的波的频率都会增大或减小，故C正确；
D．火车以接近光速行驶时，根据相对论，沿着物体的运动方向，我们在地面上测得车厢前后距离变小了，而车厢的高度没有变化，故D正确。
故选CD。
14．AC
【详解】
AC．结合所学知识，我们可知自由落体定律是伽利略发现的，他是近代自然科学的创立者，其特点是以数学为表达方式，以实验为基础；伽利略的自由落体定律和物理学上的成就，为牛顿经典力学体系的建立奠定了基础，做出了重要贡献，故选项AC正确；
B．爱因斯坦提出了相对论原理，开创了实验科学，故选项B错误；
D．牛顿利用归纳——演泽法总结出了万有引力定律，故选项D错误．
故选AC。
15．AC
【详解】
根据光速不变原理知，不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的，故A正确，太阳光通过三棱镜形成彩色光带是色散现象，B错误；当波源与观察者有相对运动时，如果二者相互接近，间距变小，观察者接收的频率增大，如果二者远离，间距变大，观察者接收的频率减小，故C正确；光的双缝干涉实验中，光的双缝干涉条纹间距，若仅将入射光从红光改为紫光，由于红光波长大于紫光，则相邻亮条纹间距变小，故D错误；
16． = <
【详解】
根据光速不变原理，两战机飞行的速度是相等的，则光相对于它们的速度都是c，
根据相对论的尺缩效应可知，地面指挥中心观测到此刻甲、乙之间的距离小于甲乙之间实际的距离，即：
l＜l0
所以
17． 先到达后壁 短
【详解】
车厢中的人认为，车厢是个惯性系，光向前向后传播的速度相等，光源在车厢中央，闪光同时到达前后两壁。地面上人以地面是一个惯性系，光向前向后传播的速度相等，向前传播的路程长些，到达前壁的时刻晚些。由相对论原理可知，地面上人看到的车厢的长度比静止时要短。
18． 同时出生 猫先出生
【详解】
火车中的人认为，车厢是个惯性系，光向前向后传播的速度相等，光源在车厢中央，闪光同时到达前后两壁则在火车上的人看来，小猫和小鸡同时出生；
地面上的人以地面是一个惯性系，光向前向后传播的速度相等，向前传播的路程长些，到达前壁的时刻晚些。故在地面上的人看来，一只小猫先出生。
19．ACE
【详解】
A项：做受迫振动的物体的频率等于驱动力的频率，由驱动力的频率决定，与物体固有频率无关，故A正确；
B项：当声源离观测者而去时，声波的波长增加，音调变得低沉，故B正确；
C项：泊松亮斑说明光具有波动性，故C正确；
D项：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，若是非惯性参考系中，则不同，应是在真空中，故D错误；
E项：电容器充电的过程，磁场能转化为电场能，电流在减小，线圈中电流产生的磁场的磁感应强度正在减小，而电压在增大；当电压达到最大值Um 时，充电完毕，电流强度零，故E正确．
20．在爱因斯坦的广义相对论里，引力被认为是时空弯曲的一种效应。这种弯曲是因为质量的存在而导致。通常而言，在一个给定的体积内，包含的质量越大，那么在这个体积边界处所导致的时空曲率越大。当一个有质量的物体在时空当中运动的时候，曲率变化反应了这些物体的位置变化。在某些特定环境之下，加速物体能够对这个曲率产生变化，并且能够以波的形式向外以光速传播。这种传播现象称之为引力波。在过去的六十年里，有许多物理学家和天文学家为证明引力波的存在做出了无数努力。其中最著名的要数引力波存在的间接实验证据--脉冲双星PSR1913+16。1974年，美国麻省大学的物理学家泰勒（Joseph Taylor）教授和他的学生赫尔斯（Russell Hulse）利用美国的308米射电望远镜，发现了由两颗质量大致与太阳相当的中子星组成的相互旋绕的双星系统。泰勒和他的同行在之后的30年时间里面对PSR1913+16做了持续观测，观测结果精确地按广义相对论所预测的那样：周期变化率为每年减少76.5微秒，半长轴每年缩短了3.5米。这是人类第一次得到引力波存在的间接证据。
21．3(昼夜)
【详解】
据钟慢效应有
即
5=
解得＝3昼夜。
22．1.155倍
【详解】
电子的静止质量为m，加速后的电子相对实验室的速度是0.5c，根据爱因斯坦的质速关系方程，有
23．(1)；(2)
【详解】
(1)地面上的观察者测量的太空飞船的长度为
地面上的观察者测量的太空飞船飞过该观察者的时间
(2)太空飞船上的人测得太空飞船飞过观察者的时间为
答案第1页，共2页