第五章狭义相对论

第五章狭义相对论

一、 单选题(本大题共27小题，总计81分)

1.(3分) (1)对某观察者来说，发生在某惯性系中同一地点、同一时刻的两个事件，对于相

对该惯性系作匀速直线运动的其它惯性系中的观察者来说，它们是否同时发生？

(2)在某惯性系中发生于同一时刻、不同地点的两个事件，它们在其它惯性系中是否同时

发生？

关于上述两个问题的正确答案是［ ］

A 、(1)同时，(2)不同时

B 、(1)不同时，(2)同时

C 、(1)同时，(2)同时

D 、(1)不同时，(2)不同时

2.(3分) 关于同时性的以下结论中，正确的是［ ］

A 、在一惯性系同时发生的两个事件，在另一惯性系一定不同时发生

B 、在一惯性系不同地点同时发生的两个事件，在另一惯性系一定同时发生

C 、在一惯性系同一地点同时发生的两个事件，在另一惯性系一定同时发生

D 、在一惯性系不同地点不同时发生的两个事件，在另一惯性系一定不同时发生

3.(3分) 在惯性系 S 中，一粒子具有动量()

c p p p z y x /MeV 2,3,5),,(=及总能量 MeV 10=E （c 表示真空中光速）

，则在 S 系中测得粒子的速度υ最接近于［ ］ A 、c 8

3 B 、c 5

2 C 、c 5

3 D 、c 5

4 4.(3分) 在狭义相对论中，下列说法中哪些是正确的［ ］

(1) 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；

(2) 质量、长度、时间的测量结果都是取决于物体对观察者的相对运动状态；

(3) 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

发生的；

(4)惯性系中的观察者观察一个与他作匀速相对运动的时钟时，会看到这个钟比与他相

对静止的相同的时钟走得慢些．

A 、(1)，(3)，(4)

B 、(1)，(2)，(4)

C 、(1)，(2)，(3)

D 、(2)，(3)，(4)

5.(3分) 设某微观粒子的总能量是它的静止能量的K 倍，则其运动速度的大小为(以c 表示

真空中的光速)［ ］

A 、1

-K c

B 、

12-K K

c C 、21K K

c - D 、)2(1++K K K c 6.(3分) 质子在加速器中被加速，当其动能为静止能量的4倍时，其质量为静止质量的［ ］

A 、4倍

B 、5倍

C 、6倍

D 、8倍

7.(3分) α粒子在加速器中被加速，当其质量为静止质量的3倍时，其动能为静止能量的［ ］

A 、2倍

B 、3倍

C 、4倍

D 、5倍

8.(3分) 在惯性参考系 S 中，有两个静止质量都是0m 的粒子A 和B ，分别以速度υ沿同一直线相向运动，相碰后合在一起成为一个粒子，则合成粒子静止质量0M 的值为 (c 表示真空中光速) ［ ］

A 、02m

B 、20)/(12c m υ-

C 、20)/(12

c m υ- D 、20

)/(12c m υ-

9.(3分) 边长为a 的正方形薄板静止于惯性系K 的Oxy 平面内，且两边分别与y x ,轴平行．今有惯性系'K 以 c 8.0（c 为真空中光速）的速度相对于K 系沿x 轴作匀速直线运动，则从'

K 系测得薄板的面积为［ ］

A 、26.0a

B 、28.0a

C 、2a

D 、6.0/2a

10.(3分) S 系与'S 系是坐标轴相互平行的两个惯性系，'S 系相对于S 系沿Ox 轴正方向匀速运动．一根刚性尺静止在'S 系中，与''x O 成 30角．今在S 系中观测得该尺与Ox 轴成 45角，则'S 系相对于S 系的速度（用c 表示）是［ ］

A 、

c 3

2 B 、c 31 C 、c 31

D 、c 3

2 11.(3分) 有下列几种说法：

(1) 所有惯性系对物理基本规律都是等价的；

(2) 在真空中，光的速度与光的频率、光源的运动状态无关；

(3) 在任何惯性系中，光在真空中沿任何方向的传播速率都相同．

若问其中哪些说法是正确的, 答案是［ ］

A 、只有(1)、(2)是正确的

B 、只有(1)、(3)是正确的

C 、只有(2)、(3)是正确的

D 、三种说法都是正确的

12.(3分) 已知电子的静能为0.51 MeV ，若电子的动能为0.25 MeV ，则它所增加的质量m ?与静止质量e m 的比值近似为［ ］

A 、0.1

B 、0.2

C 、0.5

D 、0.9

13.(3分) 某核电站年发电量为 1000亿度，它等于J 103616?的能量，如果这是由核材料

的全部静止能转化产生的，则需要消耗的核材料的质量为［ ］

A 、4 kg

B 、8 kg

C 、kg 1012

18? D 、kg 10128?

14.(3分) 一火箭的固有长度为L ，相对于地面作匀速直线运动的速度为1υ，火箭上有一

个人从火箭的后端向火箭前端上的一个靶子发射一颗相对于火箭的速度为2υ的子弹．在火箭上测得子弹从射出到击中靶的时间间隔是(c 表示真空中光速) ［ ］

A 、2

1υυ+L B 、211)

/(1c L

υυ- C 、1

2υυ-L D 、2

υL 15.(3分) 宇宙飞船相对于地面以速度υ作匀速直线飞行，某一时刻飞船头部的宇航员向飞船尾部发出一个光讯号，经过t ? (飞船上的钟)时间后，被尾部的接收器收到，则由此可知飞船的固有长度为 (c 表示真空中光速) ［ ］

A 、t c ??

B 、t ??υ

C 、2)/(1c t

c υ-??

D 、2)/(1c t c υ-???

16.(3分) 在某地发生两件事，静止位于该地的甲测得时间间隔为4 s ，若相对于甲作匀速直线运动的乙测得时间间隔为5 s ，则乙相对于甲的运动速度是(c 表示真空中光速) ［ ］

A 、

c 5

4 B 、c 5

3 C 、c 5

2 D 、c 51 17.(3分) 一宇航员要到离地球为5光年的星球去旅行．如果宇航员希望把这路程缩短为3光年，则他所乘的火箭相对于地球的速度应是(c 表示真空中光速) ［ ］

A 、c 2

1=

υ B 、c 5

4=υ C 、c 53=υ

D 、c 10

9=υ 18.(3分) 根据狭义相对论力学的基本方程t p F d /d =，以下论断中正确的是［ ］

A 、质点的加速度和合外力必在同一方向上，且加速度的大小与合外力的大小成正比

B 、质点的加速度和合外力可以不在同一方向上，但加速度的大小与合外力的大小成正比

C 、质点的加速度和合外力必在同一方向上，但加速度的大小与合外力可不成正比

D 、质点的加速度和合外力可以不在同一方向上，且加速度的大小不与合外力大小成正比

19.(3分) 狭义相对论力学的基本方程为［ ］ A 、t d d υ m F = B 、t

d d m F υ = C 、t d d /1220

υυ c

m F -= D 、t d d υ m F =t d d m υ + 20.(3分) 一个电子运动速度c 99.0=υ，它的动能是(电子的静止能量为0.51 MeV) ［ ］

A 、4.0MeV

B 、3.5 MeV

C 、3.1 MeV

D 、2.5 MeV

21.(3分) 根据相对论力学，动能为0.25 MeV 的电子，其运动速度约等于［ ］

(c 表示真空中的光速，电子的静能MeV 51.02e =c m )

A 、c 1.0

B 、c 5.0

C 、c 75.0

D 、c 85.0

22.(3分) 有一直尺固定在'K 系中，它与'Ox 轴的夹角='θ 45，如果'K 系以匀速度沿Ox 方向相对于K 系运动，K 系中观察者测得该尺与Ox 轴的夹角［ ］

A 、小于 45

B 、大于 45

C 、等于 45

D 、当'K 系沿Ox 正方向运动时大于 45，而当'K 系沿Ox 负方向运动时小于

45

23.(3分) 一匀质矩形薄板，在它静止时测得其长为a ，宽为b ，质量为0m ．由此可算出其质量面密度为ab m /0．假定该薄板沿长度方向以接近光速的速度υ作匀速直线运动，此

时再测算该矩形薄板的质量面密度则为［ ］

A 、ab

c m 2

0)/(1υ- B 、20

)/(1c ab m υ-

C 、]

)/(1[20c ab m υ- D 、2/320]

)/(1[c ab m υ- 24.(3分) 两个惯性系S 和'S ，沿)('x x 轴方向作匀速相对运动. 设在'S 系中某点先后发生

两个事件，用静止于该系的钟测出两事件的时间间隔为0τ，而用固定在S 系的钟测出这两个事件的时间间隔为τ．又在'S 系'x 轴上放置一静止于该系，长度为0l 的细杆，从S 系测得此杆的长度为，l 则［ ］

A 、00l l <<；ττ

B 、00l l ><；ττ

C 、00l l >>；ττ

D 、00l l <>；ττ

25.(3分) 若电子的速率为υ，则电子的动能k E 对于比值c /υ的图线可用下列图中哪一个图表示（c 表示真空中光速）［ ］

A 、

B 、

C 、

D 、

26.(3分) 把一个静止质量为0m 的粒子，由静止加速到c c (6.0=v 为真空中光速）需做的功等于［ ］

A 、2018.0c m

B 、2025.0c m

C 、2036.0c m

D 、2025.1c m

27.(3分) 一宇宙飞船相对于地球以c 8.0（c 表示真空中光速)的速度飞行．现在一光脉冲从船尾传到船头，已知飞船上的观察者测得飞船长为90 m ，则地球上的观察者测得光脉冲从船尾发出和到达船头两个事件的空间间隔为［ ］

A 、270 m

B 、150 m

C 、90m

D 、54 m

二、 填空题(本大题共27小题，总计81分)

1.(3分) (1) 在速度=v ________情况下粒子的动量等于非相对论动量的两倍．

(2) 在速度=v ________情况下粒子的动能等于它的静止能量．

2.(3分) 狭义相对论确认，时间和空间的测量值都是________，它们与观察者的________密切相关．

3.(3分) 狭义相对论中，一质点的质量m 与速度υ的关系式为________；其动能的表达式为________．

4.(3分) 质子在加速器中被加速，当其动能为静止能量的3倍时，其质量为静止质量的________倍．

5.(3分) α粒子在加速器中被加速，当其质量为静止质量的5倍时，其动能为静止能量的________倍．

6.(3分) 在S 系中的x 轴上相隔为x ?处有两只同步的钟A 和B ，读数相同．在'S 系的'x 轴

上也有一只同样的钟'A ，设'

S 系相对于S 系的运动速度为υ , 方向沿x 轴, 且当'A 与A 相遇时，刚好两钟的读数均为零．那么，当'A 钟与B 钟相遇时，在S 系中B 钟的读数是________；此时在'S 系中'A 钟的读数是________．

7.(3分) 静止时边长为 50 cm 的立方体，当它沿着与它的一个棱边平行的方向相对于地面以匀速度 18s m 104.2-??运动时，在地面上测得它的体积是________．

8.(3分) 两个惯性系中的观察者R 和'R 以 c c (6.0表示真空中光速)的相对速度互相接近．如果R 测得两者的初始距离是20 m ，则'R 测得两者经过时间 't ?= ________s 后相遇．

9.(3分) 已知惯性系'S 相对于惯性系S 系以 c 5.0的匀速度沿x 轴的负方向运动，若从'S 系的坐标原点'O 沿x 轴正方向发出一光波，则S 系中测得此光波在真空中的波速为________．

10.(3分) 以速度υ相对于地球作匀速直线运动的恒星所发射的光子，其相对于地球的速度的大小为________．

11.(3分) 地面上的观察者测得两艘宇宙飞船相对于地面以速度 c 90.0=υ 逆向飞行，其中一艘飞船测得另一艘飞船速度的大小'υ =________．

12.(3分) 一宇宙飞船以2/c （c 为真空中的光速）的速率相对地面运动．从飞船中以相对飞船为2/c 的速率向前方发射一枚火箭．假设发射火箭不影响飞船原有速率，则地面上的观察者测得火箭的速率为________．

13.(3分) 当惯性系S 和'S 的坐标原点'O O 和重合时，有一点光源从坐标原点发出一光脉冲，在S 系中经过一段时间t 后（在'S 系中经过时间't ），此光脉冲的球面方程（用直角坐标系）分别为：S 系________； 'S 系________．

14.(3分) 有一速度为υ的火箭沿x 轴正方向飞行，火箭头尾各有一个脉冲光源在工作，处于火箭尾部的观察者测得头部光源发出的光脉冲的传播速度大小为________；处于头部的观察者测得尾部光源发出的光脉冲的传播速度大小为________．

15.(3分) +π介子是不稳定的粒子，在相对+π介子静止的参考系中测得平均寿命是s 106.38-?，如果它相对于实验室以c c (8.0为真空中光速)的速率运动，那么实验室坐标系中测得的+π介子的寿命是________s.

16.(3分) μ子是一种基本粒子，在相对于μ子静止的参考系中测得其寿命为

s 10260-?=τ．如果μ子相对于地球的速度为c c (988.0=v 为真空中光速)，则在地球坐标系中测出的μ子的寿命=τ________．

17.(3分) 已知一静止质量为0m 的粒子，其固有寿命为实验室测量到的寿命的n /1，则此粒子的动能是________．

18.(3分) 一门宽为a ．今有一固有长度为)(00a l l >的水平细杆，在门外贴近门的平面内沿其长度方向匀速运动．若站在门外的观察者认为此杆的两端可同时被拉进此门，则该杆相对于门的运动速率u 至少为________．

19.(3分) 一观察者测得一沿米尺长度方向匀速运动着的米尺的长度为 0.5 m ．则此米尺正

以速度=υ________1s m -?相对观察者运动．

20.(3分) 牛郎星距离地球约16光年，宇宙飞船若以________的匀速度飞行，将用4年的时间(宇宙飞船上的钟指示的时间)抵达牛郎星．

21.(3分) 一列高速火车以速度υ驶过车站时，固定在站台上的两只机械手在车厢上同时划出两个痕迹，静止在站台上的观察者同时测出两痕迹之间的距离为1 m ，则车厢上的观察者应测出这两个痕迹之间的距离为________．

22.(3分) 观察者甲以c 5

4的速度（c 为真空中光速）相对于静止的观察者乙运动，若甲携带一长度为l 、截面积为S ，质量为m 的棒，此棒沿运动方向，则

(1) 甲测得此棒的密度为________；

乙测得此棒的密度为________．

23.(3分) 匀质细棒静止时的质量为0m ，长度为0l ，当它沿棒长方向作高速的匀速直线运动时，测得它的长为l ，那么，该棒的运动速度=υ________，该棒所具有的动能=k E ________．

24.(3分) 一电子以c 99.0的速率运动(电子静止质量为kg 1011.931-?)，则电子的总能量是________J ，电子的经典力学的动能与相对论动能之比是________．

25.(3分) 当粒子的动能等于它的静止能量时，它的运动速度为________．

26.(3分) 设电子静止质量为e m ，将一个电子从静止加速到速率为c c (6.0为真空中光速)，需作功________．

27.(3分) 观察者甲以 c 8.0的速度（c 为真空中光速）相对于静止的观察者乙运动，若甲携带一质量为1 kg 的物体，则

(1) 甲测得此物体的总能量为________；

(2) 乙测得此物体的总能量为________．

三、 计算题(本大题共32小题，总计320分)

1.(10分) 要使电子的速度从m /s 10

2.181?=υ 增加到m /s 104.28

2?=υ必须对它作多

少功？ (电子静止质量kg 1011.931e -?=m ) 2.(10分) 在惯性系中，有两个静止质量都是0m 的粒子B A 和，它们以相同的速率υ相向运动，碰撞后合成为一个粒子，求这个粒子的静止质量0M ．

3.(10分) 在实验室中测得电子的速度是c 8.0,c 为真空中的光速．假设一观察者相对实验室以c 6.0的速率运动，其方向与电子运动方向相同，试求该观察者测出的电子的动能和动

量是多少？（电子的静止质量kg 1011.931e -?=m ）

4.(10分) 两个质点A 和B ，静止质量均为0m ．质点A 静止，质点B 的动能为206c m ．设A 、B 两质点相撞并结合成为一个复合质点，求复合质点的静止质量．

5.(10分) 质量为e m 的电子被电势差kV 10012=U 的电场加速，如果考虑相对论效应，计算其德布罗意波的波长．若不考虑相对论效应，则相对误差是多少？(电子静止质量

kg 1011.931e -?=m ，普朗克常量s J 1063.634??=-h ，元电荷C 1060.119-?=e ．)

6.(10分) 一体积为0V ，质量为0m 的立方体沿其一棱的方向相对于观察者A 以速度υ运动．求观察者A 测得其密度是多少？

7.(10分) 若光子的波长和电子的德布罗意波长λ 相等，试求光子的质量与电子的质量之比．

8.(10分) 假如电子运动速度与光速可以比拟，则当电子的动能等于它静止能量的两倍时，其德布罗意波长为多少？ (普朗克常量s J 1063.634??=-h ，电子静止质量kg 1011.931e -?=m ．)

9.(10分) 求出实物粒子德布罗意波长λ与粒子动能k E 和静止质量0m 的关系，并考虑相对

论效应，讨论20k c m E <<和20k c m E >>两种情况下，波长λ的近似表达式．

10.(10分) 在O 参考系中，有一个静止的正方形，其面积为2cm 100．观测者'O 以 c 8.0的匀速度沿正方形的对角线运动．求'O 所测得的该图形的面积．

11.(10分) 在S 惯性系中观测到相距m 1098?=?x 的两地点相隔s 5=?t 发生两事件，而在相对于S 系沿x 方向以匀速度运动的'S 系中发现此两事件恰好发生在同一地点．试求在'S 系中此两事件的时间间隔．

12.(10分) S 惯性系中观测者记录到两事件的空间和时间间隔分别是m 60012=-x x 和s 108 712-?=-t t ，为了使两事件对相对于S 系沿正x 轴方向匀速运动的'S 系来说是同时

发生的，'

S 系必需相对于S 系以多大的速度运动？

13.(10分) 在惯性系S 中，相距m 1056?=?x 的两个地方发生两事件，时间间隔s 102-=?t ；而在相对于S 系沿x 轴正方向匀速运动的'S 系中观测到这两事件却是同时发生的．试计算在'S 系中发生这两事件的地点间的距离'x ?是多少？

14.(10分) 观察者甲和乙分别静止于两个惯性系S 和'S 中（'S 系相对于S 系作平行于x 轴的匀速运动）．甲测得在x 轴上两点发生的两个事件的空间间隔和时间间隔分别为 500 m 和s 1027-? ，而乙测得这两个事件是同时发生的．问：'S 系相对于S 系以多大速度运动？

15.(10分) 观测者甲和乙分别静止于两个惯性参照系S 和'S 中，甲测得在同一地点发生的两个事件的时间间隔为4 s ，而乙测得这两个事件的时间间隔为5 s ，求：

(1) '

S 相对于S 的运动速度；

(2) 乙测得这两个事件发生的地点的距离．

16.(10分) 两个火箭相向运动，它们相对于静止观察者的速率都是4/3c （c 为真空中的光速）．试求火箭甲相对火箭乙的速率．

17.(10分) 两只飞船相向运动，它们相对地面的速率都是υ．在A 船中有一根米尺，米尺顺着飞船的运动方向放置．问B 船中的观察者测得该米尺的长度是多少？

18.(10分) 一光源在'S 系的原点'O 发出一光线，此光线在''y x 平面内与'x 轴的夹角为'θ．设'S 系与S 系相应的坐标轴互相平行，'S 系相对S 系以速度u 沿x 轴正向运动．试求此光线在S 系中的传播方向．

19.(10分) 火箭A 以c 8.0的速率相对地球向正北方向飞行，火箭B 以c 6.0的速率相对地球向正西方向飞行（c 为真空中光速）．求在火箭B 中观察火箭A 的速度的大小和方向．

20.(10分) 一艘宇宙飞船的船身固有长度为m 900=L ，相对于地面以c c (8.0=v 为真空中光速)的匀速度在地面观测站的上空飞过．

(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？

21.(10分) 在惯性系S 中，有两事件发生于同一地点，且第二事件比第一事件晚发生s 2=?t ；而在另一惯性系'S 中，观测第二事件比第一事件晚发生s 3'=?t ．那么在'S 系中发生两事件的地点之间的距离是多少？

22.(10分) 火箭相对于地面以c c (6.0=υ为真空中光速）的匀速度向上飞离地球．在火箭发射s 10'

=?t 后(火箭上的钟)，该火箭向地面发射一导弹，其速度相对于地面为c 3.01=υ，问火箭发射后多长时间（地球上的钟），导弹到达地球？计算中假设地面不动．

23.(10分) 半人马星座α星是距离太阳系最近的恒星，它距离地球m 106.416?=s ．设有一

宇宙飞船自地球飞到半人马星座α星，若宇宙飞船相对于地球的速度为c 999.0=υ，按地球上的时钟计算要用多少年时间？如以飞船上的时钟计算，所需时间又为多少年？

24.(10分) 假定在实验室中测得静止在实验室中的+

μ子(不稳定的粒子)的寿命为 s 102.26-?，而当它相对于实验室运动时实验室中测得它的寿命为s 1063.16-?．试问：这两个测量结果符合相对论的什么结论？+μ子相对于实验室的速度是真空中光速c 的多少倍？

25.(10分) 观察者A 测得与他相对静止的Oxy 平面上一个圆的面积是2

cm 12，另一观察者B 相对于A 以c c (8.0为真空中光速)平行于Oxy 平面作匀速直线运动，B 测得这一图形为一椭圆，其面积是多少？

26.(10分) 设有宇宙飞船A 和B ，固有长度均为m 1000=l ，沿同一方向匀速飞行，在飞船B 上观测到飞船A 的船头、船尾经过飞船B 船头的时间间隔为s 10)3/5(7-?=?t ，求飞船B 相对于飞船A 的速度的大小．

27.(10分) 一隧道长为L ，宽为d ，高为h ，拱顶为半圆，设想一列车以极高的速度υ沿隧道长度方向通过隧道，若从列车上观测，

(1) 隧道的尺寸如何？

(2) 设列车的长度为0l ，它全部通过隧道的时间是多少？

28.(10分) 地球的半径约为km 63760=R ，它绕太阳的速率约为1s km 30-?=v ，在太阳参考系中测量地球的半径在哪个方向上缩短得最多？缩短了多少？ (假设地球相对于太阳系来说近似于惯性系)

29.(10分) 一电子以c c (99.0=υ为真空中光速)的速率运动．试求：

(1) 电子的总能量是多少？

(2) 电子的经典力学的动能与相对论动能之比是多少？

(电子静止质量kg 1011.931e -?=m )

30.(10分) 已知μ子的静止能量为 105.7 MeV ，平均寿命为 s 102.28-?．试求动能为 150 MeV 的μ子的速度υ是多少？平均寿命τ是多少？

31.(10分) 由于相对论效应，如果粒子的能量增加，粒子在磁场中的回旋周期将随能量的增加而增大，计算动能为MeV 104的质子在磁感强度为1 T 的磁场中的回旋周期． (质子的静止质量为J 101.60kg,1eV 1067.1-1927?=?-)

32.(10分) 某一宇宙射线中的介子的动能20k 7c m E =，其中0m 是介子的静止质量．试求

在实验室中观察到它的寿命是它的固有寿命的多少倍．