第十五章　相对论简介 1相对论的诞生2时间和空间的相对性

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第十四章　电磁波
1　相对论的诞生 2　时间和空间的相对性
知能要点
1. 能描述相对性原理和光速不变原理
2. 能应用长度的相对性和时间间隔的相对性
3. 能识别相对论时空观与经典物理时空观的区别
　　　　　　　　　　　
基础巩固　飞跃，这里是最好的起点……21世纪教育
1. 下列说法中正确的是(　　)．
A. 相对性原理能简单而自然的解释电磁学的问题
B. 在真空中，若物体以速度v背离光源运动，则光相对物体的速度为c－v
C. 在真空中，若光源向着观察者以速度v运动，则光相对于观察者的速度为c＋v
D. 迈克耳逊一莫雷实验得出的结果是：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的
2. 设某人在以速度为0.5c的飞船上，打开一个光源，则下列说法正确的是(　　)．
A. 飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.5c
B. 飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5c
C. 在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是c
D. 在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c
3. 根据气体吸收谱线的红移现象推算，有的类星体远离我们的速度竟达光速c的80%，即每秒24万公里．下列结论正确的是(　　)．
A. 在类星体上测得它发出的光的速度是(1＋0.8) c
B. 在地球上接受到它发出的光的速度是(1－0.8) c
C. 在类星体上测得它发出的光的速度是c
D. 在地球上上测得它发出的光的速度是c
4. 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21世纪教育
5. 用相对论的观点判断下列说法中正确的是(　　)．
A. 时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变
B. 在地面上的人看来，以10 km/s的速度运动的飞船中的时钟会变快，但是飞船中的宇航员却看到时钟可能是准确的
C. 在地面上的人看来，以10 km/s的速度运动的飞船在运动方向上会变窄，而飞船中的宇航员却感觉到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些
D. 当物体运动的速度v c时，“时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽略不计
6.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________(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________(填“长”或“短”)了。
思维拓展　课内与课外的桥梁是这样架起的……
7. 有一速度为u的宇宙飞船沿x轴的正方向飞行，飞船头尾各有一个脉冲光源在工作，处于船尾的观察者测得船头光源发出的光脉冲的传播速度大小为________；处于船头的观察者测得船尾光源发出的光脉冲的传播速度大小为________．
8. 某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行，如果希望把这路程缩短为3光年，则他所乘飞船相对地球的速度为(　　)．
A. 0.5c B. 0.6c
C. 0.8c D. 0.9c
9. 次级宇宙射线中有一种粒子叫μ子，寿命只有2.0μs，其速度约为0.99c，在它的寿命之内运动的距离只有约590 m，但它生成的高度在100 km以上，并且地面上能观测到宇宙射线中有许多μ子．针对这一现象，下列说法正确的是(　　)．
A. 地面上的观测者观测到的μ子的寿命比2.0μs长得多，故能射到地面
B. 随μ子一起运动的观测者观测到大气层厚度比100 km薄得多，故能射到地面
C. 地面上的观测者观察到大气层厚度比100 km薄得多，故能射到地面
D. 随μ子一起运动的观测者观测到μ子的寿命比2.0μs长得多，故能射到地面
10. 如图所示，一根10 m长的梭镖以相对论速度穿过一根10 m长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的．以下哪种叙述最好地描述了梭镖穿过管子的情况？(　　)．
A. 梭镖收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它
B. 管子收缩变短，因此在某些位置上，梭镖从管子的两端伸出来
C. 两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管子恰好遮住梭镖
D. 所有这些都与观察者的运动情况有关21世纪教育
11. 如图所示，在列车车厢的光滑水平面上有一个质量为m＝5 kg的小球，正随车厢一起以20 m/s的速度匀速前进．现在给小球一个水平向前的F＝5 N的拉力作用，求经过10 s时，车厢里的观察者和地面上的观察者看到小球的速度分别是多少？
开放探究　对未知的探究，你也行！
12. 宇宙射线中有一种叫做μ子的粒子，在与μ子相对静止的惯性参考系中观测到，它平均经过2×10－6s(其固有寿命)就衰变为电子和中微子．但是，这种μ子在大气中运动的速度非常大，可以达到v＝2.994×108 m/s＝0.998c.请分析，μ子在大气中可以运动多远的距离？
13. 半人马星座α星是太阳系最近的恒星，它距地球为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．若宇宙飞船的速度为0.999c，按地球上的时钟计算，飞船往返一次需多少时间？如以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为多少？
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14. (2011·扬州中学模拟)下列叙述中正确的有(　　)．
A. 在不同的惯性参考系中，光在真空中的速度都是相同的
B. 两列波相叠加产生干涉现象，则振动加强区域与减弱区域交替变化
C. 光的偏振现象说明光波是横波
D. 夜视仪器能在较冷的背景上探测出较热物体的红外辐射
15. (2010·山东寿光模拟)“世界物理年”决议的作出与爱因斯坦的相对论时空观有关．一个时钟，在它与观察者有不同相对速度的情况下，时钟的频率是不同的，它们之间的关系如图所示．由此可知，当时钟和观察者的相对速度达到0.6c(c为真空中的光速)时，时钟的周期大约为_______．在日常生活中，我们无法察觉时钟周期性变化的现象，是因为观察者相对于时钟的运动速度_______．若在高速运行的飞船上有一只表，从地面上观察，飞船上的一切物理、化学过程和生命过程都变________(填“快”或“慢”)了．21世纪教育
1　相对论的诞生
2　时间和空间的相对性
1. A、D　解析：不管物体是背离光源运动还是想着光源运动，光速是不变的．
2. D　解析：根据光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，可知选项D正确．
9. A、B　解析：一个相对于我们做高速运动的惯性系中发生的物理过程，在我们看来，它所经历的时间比在这个惯性系中直接观察到的时间长．即地面上的观测者观测到的μ子的寿命比2.0μs长得多，所以在地面上的人看来，它生成的长度也大得多，故能射到地面．
10. D　解析：如果你是在相对于管子静止的参考系中观察运动着的梭镖，那么梭镖看起来就比管子短，在某些位置梭镖会完全处在管子内部．然而当你和梭镖一起运动时，你看到的管子就缩短了；所以在某些位置，你可以看到梭镖两端都伸出管子．又如你在梭镖和管子之间运动，运动的速度是在梭镖运动的方向上，而大小是其一半；那么梭镖和管子都相对于你运动，且速度的大小一样；你看到这两样东西都缩短了，且缩短的量相同．所以你看到的一切都是相对的，依赖于你的参考系．
11. 10 m/s　30 m/s.
解析：对车上的观察者：
物体的初速：v0＝0，加速度a＝＝1 m/s2，
10 s时速度：v1＝at＝10 m/s.
对地上的观察者：
方法一：物体初速度v0＝20 m/s，
加速度相同：a＝＝1 m/s2，
10 s末速度v2＝v0＋at＝30 m/s.
方法二：根据速度合成法则
v2＝v1＋v0＝(10＋20)m/s＝30 m/s.
12. 9 500 m　解析：已知Δt′＝2×10－6 s，v＝2.994×108 m/s.如果按照经典物理来看，μ子从产生到衰变的这段时间里平均走过的距离仅为
l′＝2.994×108×2×10－6m≈600 m
根据狭义相对论，在地面的实验室中观测μ子的“运动寿命”为
Δt＝＝ s
＝3.16×10－5 s
因此μ子在大气中运动的距离应为
l＝2.994×108×3.16×10－5 m≈9 500 m
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