相对论基础习题
1习题课(相对论)
一、选择题 1.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 速度都相同。其中哪些说法是正确的？ （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。 [ D ]
（D） 0 ; l l 0
5.（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？ （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。 [ A ]
c 或由： 2 2 1 u / c u t 2 x c t t 2 t 1 270 s c 1 u2 / c 2 t
2
x ct
270(m )
从这道题也可以看出，洛仑兹变换是建立在光速不 变原理这个基础之上的。
12）一观察者测得一沿米尺长度方向匀速运动着的米 8 -1 2.6× 10· 尺的长度为0.5m。则此米尺以速度υ= m s 接近观察者。 解: 匀速运动着的米尺的长度为动长 l
c2 c2
（C） 0 ; l l 0
4. 两个惯性系S 和 S ′,沿x（x ′)轴方向作相对运动，相 对速度为 u ，设在 S ′系中某点先后发生的两个事件，用 固定于该系的钟测出两事件的时间间隔为固有时τ0 。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 ′轴上放置一固有长度为 l 0 的细杆，从S 系测得 此杆的长度为l ，则 [ D ] （A） 0 ; l l 0 （B） 0 ; l l 0
高二物理相对论练习题(有答案)
相对论的诞生时间和空间的相对性狭义相对论的其他结论1、下列各选项中,不属于狭义相对论内容的是( )A.光子的能量与光的频率成正比B.物体的质量随着其运动速度的增大而增大C.在不同的惯性参考系中,时间间隔具有相对性D.在不同的惯性参考系中,长度具有相对性2、下列说法正确的是( )A.真空中的光速在不同的惯性参考系中是有差别的B.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 vC.不管光源相对观察者做什么样的运动,光相对观察者的速度为定值D.狭义相对论认为不同惯性参考系中,物理规律不一定相同3、如图所示,一根10m长的梭镖以相对论速度穿过一根10m长的管子,它们的长度都是在静止状态下测量的,下列关于梭镖穿过管子的叙述正确的是( )A.观察者一定看到梭镖收缩变短,因此在某些位置上,管子能完全遮住它B.观察者一定看到管子收缩变短,因此在某些位置上,梭镖从管子的两端伸出来C.观察者一定看到两者都收缩,且收缩量相等,因此在某个位置,管子恰好遮住梭镖D.与观察者的运动情况有关,观察者看到的一切都是相对的,依赖于所选参考系4、如果你以接近于光速的速度朝某一星体飞行,如图所示。
下列说法正确的是( )A.你根据你的质量在增加发觉自己在运动B.你根据你的心脏跳动在慢下来发觉自己在运动C.你根据你在变小发觉自己在运动D.你永远不能由自身的变化知道你的速度5、假设太空爱好者乘飞船到距离地球10光年的星球上去,若该爱好者欲将行程缩短4光年。
则飞船相对于地球的飞行速度为( )A.0.5cB.0.6cC.0.8cD.0.9c6、一辆由超强力电池供电的摩托车和一辆普通有轨电车,都被加速到接近光速,在我们的静止参考系中进行测量,下列说法正确的是( )A.摩托车的质量增大B.有轨电车的质量增大C.摩托车和有轨电车的质量都增大D.摩托车和有轨电车的质量都不增大7、有两个惯性参考系1和2,彼此相对做匀速直线运动,下列叙述正确的是( )A.在参考系1看来,2中的所有物理过程都变快了;在参考系2看来,1中的所有物理过程都变慢了B.在参考系1看来,2中的所有物理过程都变快了;在参考系2看来,1中的所有物理过程都变快了C.在参考系1看来,2中的所有物理过程都变慢了;在参考系2看来,1中的所有物理过程都变快了D.在参考系1看来,2中的所有物理过程都变慢了;在参考系2看来,1中的所有物理过程都变慢了8、能用来计时的钟表有多种,如图所示,从左到右依次为沙漏计时仪器、电子表、机械表、生物钟。
第十八章 相对论习题
电子相对于电子的速度正是要求的，可以通过洛仑兹速度逆
变换求出。
选择地球为 S 系，正电子为 S 系，则 u x 0.9c , v 0.9c 由洛仑兹速度变换得电子相对负电子的速度为：
ux v u 0.994c x v 1 2 ux c
要 求
请选择其它方式的参考系计算此题，从中有什么体会。
18-7 设在宇航飞船的观察者测得脱离它而去的航天器
8 1
相对它的速度为 1.2 10 m s i 。同时，航天器发射
一枚空间火箭，航天器的观察者测得火箭相对它的速度
为1.0 10 m s i 。问：（1）此火箭相对宇宙飞船的
2 x 2 y 2 z
速度方向为
arctg
uy ux
arctg
c2 v2 v
可见，光子在地面参考系中的速度的大小仍然是光速， 但速度的方向已经改变了。 1、光速方向改变了，这与光速不变原理矛盾吗？
问 题
2、物理中所有的速度都不能大于光速吗？
18-9 设地球上有一观察者测得一宇宙飞船以0.60 的速率向 c
请说明负号的意义. 解法2: 由长度收缩公式,地面上的观察者测得火车的空间长度为:
x1 ) 1 v x 2 x1 ( x 2
2
c2
0.30 10 3
(100 10 3 ) 2 1 (3 10 8 ) 2
再由洛仑兹逆变换
t1 ) (t 2
(t 2 t1 )
行驶,地面上观察者发现有两个闪电同时击中火车的前后两端 .问火车上的观察者测得两闪电击中火车前后两端的时间间隔
为多少?
解 分析 选地面为 S 系,火车为 S 系,把两闪电击中火
相对论习题及答案解析
(D) 若 u 沿 X ′ 轴正向，则α > 45° ；若 u 沿 X ′ 轴反向，则α < 45° 。
答案：A
4.电子的动能为 0.25MeV，则它增加的质量约为静止质量的？
()
(A) 0.1 倍 （B）0.2 倍 (C) 0.5 倍 (D) 0.9 倍
答案：D
5. Ek 是粒子的动能，p 是它的动量，那么粒子的静能 m0c 2 等于
∆t′ = u∆x ⋅ v / c2 (1)
∆t′ = ∆x′ ⋅ v / c2 (2)
联立两式得到
u∆x = ∆x′ ⇒ u = ∆x′ ⇒
1 = ∆x′
∆x
1− (v / c)2 ∆x
⇒ v = c 1− (∆x / ∆x′)2
代入(2)式中得到
∆t′ = ∆x′ ⋅ v / c2 = ∆x′⋅ 1− (∆x / ∆x′)2 / c = 2 × 1− (1/ 2)2 /(3×108 ) = 5.77×10−9 s
7.论证以下结论：在某个惯性系中有两个事件同时发生在不同的地点，在有相对运动的其他
惯性系中，这两个事件一定不同时发生 。
证明：令在某个惯性系中两事件满足 ∆t = 0 ， ∆x ≠ 0 则在有相对运动的另一个惯性系中(相对运动速度为 v ),两事件的时间间隔是 ∆t′ = u(∆t − ∆x ⋅ v / c 2 ) = −u∆x ⋅ v / c 2 = − ∆x ⋅ v / c 2
∆x′ = u(∆x − v∆t) = u∆x = ∆x > ∆x 1 − (v / c)2
所以，在原惯性系中空间间隔最短。
9. 一光源在 K ′ 系的原点 O′ 发出一光线。光线在 O′X ′Y ′ 平面内且与 x′ 轴的夹角为θ ′ 。设
狭义相对论基础练习题及答案
狭义相对论基础练习题一、填空1、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________________________。
2、一门宽为a，今有一固有长度为L0（L>a）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________________________。
3、在地球上进行的一场足球赛持续的时间为90秒，在以速率为0.8cυ=飞行的飞船上观测，这场球赛的持续时间为_______________________。
4、狭义相对论的两条基本原理中，相对性原理说的是_________________________________________；光速不变原理说的是_________________________________________。
5、当粒子的动能等于它静止能量时，它的运动速度为_______________________；当粒子的动量等于非相对论动量的2倍时，它的运动速度为______________________。
6、观察者甲以4c/5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，这根棒安放在运动方向上，则甲携带测得此棒的密度为_____________________；乙测得此棒的密度为_______________。
7、一米尺静止在'K系，且与'X轴的夹角为30，'K系相对于K系的X轴的正向的运动速度为0.8c,则K系中测得的米尺的长度为L=___________；他与X轴的夹角为θ=___________。
8、某加速器将电子加速到能量Ｅ＝２×１０６eV时，该电子的动能Ｅk＝_______________________eV。
大学物理相对论练习题及答案
大学物理相对论练习题及答案一、选择题1. 相对论的基本假设是：A. 电磁场是有质量的B. 速度光速不变C. 空间和时间是绝对的D. 物体的质量是不变的答案：B2. 相对论中，当物体的速度接近光速时，它的质量会：A. 减小B. 增大C. 不变D. 可能增大或减小答案：B3. 太阳半径为6.96×10^8米，光速为3×10^8米/秒。
如果一个人以0.99光速的速度环绕太阳一圈，他大约需要多长时间（取π≈3.14）：A. 37分钟B. 1小时24分钟C. 8小时10分钟D. 24小时答案：B4. 相对论中的洛伦兹收缩效应指的是：A. 时间在运动方向上变慢B. 物体的长度在运动方向上缩短C. 质量增加D. 光速不变答案：B5. 相对论中的时间膨胀指的是：A. 时间在运动方向上变慢B. 物体的长度在运动方向上缩短C. 质量增加D. 光速不变答案：A二、填空题1. 物体的质量与运动速度之间的关系可以用___公式来表示。
答案：爱因斯坦的质能方程 E=mc^2.2. 相对论中，时间膨胀和洛伦兹收缩的效应与___有关。
答案：物体的运动速度.3. 光速在真空中的数值约为___，通常记作c。
答案：3×10^8米/秒.4. 相对论中，当物体的速度超过光速时，其相对质量会无限___。
答案：增大.5. 狭义相对论是由___发展起来的。
答案：爱因斯坦.三、简答题1. 请简要解释狭义相对论的基本原理及其对物理学的影响。
狭义相对论的基本原理是光速不变原理，即光速在任何参考系中都保持不变。
它推翻了经典牛顿力学中对于时间和空间的绝对性假设，提出了时间膨胀和洛伦兹收缩的效应。
狭义相对论在物理学中的影响非常深远，它解释了电磁现象、粒子物理现象等方面的问题，为后续的广义相对论和量子力学提供了理论基础。
2. 请解释相对论中的时间膨胀和洛伦兹收缩效应。
时间膨胀效应指的是当物体具有运动速度时，其所经历的时间相对于静止状态下的时间会变得更长。
大学物理练习题 相对论力学基础
练习二十 相对论力学基础一、选择题1. 一匀质矩形薄板，当它静止时，测得其长度为a ，宽度为b ，质量为m 0。
由此可算出其质量面密度为 σ = m 0/(ab )。
假定该薄板沿长度方向以接近光速的速度v 作匀速直线运动，此种情况下，测算该薄板的质量面密度为 (A ) ()[]2201c v ab m −。
(B ) ⎟⎠⎞⎜⎝⎛−2201c v ab m 。
(C ) ()⎥⎦⎤⎢⎣⎡−232201c v ab m 。
(D ) ()ab c v m 2201−。
2. 一个电子的运动速度v =0.99c ，它的动能是(A ) 3.5MeV 。
(B ) 4.0MeV 。
(C ) 3.1MeV 。
(D ) 2.5MeV 。
3. 某核电站年发电量为100亿度，它等于3.6×1016J 。
如果这些能量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 ) 0.4kg 。
(B ) 0.8kg 。
(C ) 12×107kg 。
(D ) (1/12)×107kg 。
4. 把一个静止质量为m 0的粒子，由静止加速到v =0.6c (c 为真空中的光速)需做功为 (A ) 0.18m 0c 2。
(B ) 0.25m 0c 2。
(C ) 0.36m 0c 2。
(D ) 1.25m 0c 2。
5. 在惯性系S 中一粒子具有动量(p x ， p y ， p z )=(5，3，2)MeV /c ，总能量E =10 MeV (c 为真空中的光速)，则在S 系中测得粒子的速度v 最接近于 (A ) 3c /8。
(B ) 2c /5。
(C ) 3c /5。
(D ) 4c /5。
6. 圆柱形均匀棒静止时的密度为ρ0，当它以速率u 沿其长度方向运动时，测得它的密度为ρ，则两测量结果的比ρ：ρ0是 (A )221c u −。
(B )2211c u −。
(C )221c u −。
相对论习题
(A) c t
(B) t
(C) c t 1 / c
( D) c t 1 / c
2
2
[A]
20
例.观测者甲和乙分别静止于两个惯性参照系K和K 中，甲测得在 同一地点发生的两个事件间隔为4s，而乙测得这两个事件的时 间间隔为5s，求：K 相对于K的运动速度。 解:因两个事件在 K 系中同一地点发生，则根据时钟变慢公式，有
例：设想一飞船以 0.80c的速度在地球上空飞行，如果 这时从飞船上沿速度方向抛出一物体，物体相对飞 船速度为0.90c。问：从地面上看，物体速度多大？ 解： 选飞船参考系为S系 选地面参考系为S系
S
0.90c
S u
x
x
u 0.80c x
x x u
u 1 2 x c
15
3 2 ( H) ( 例 已知一个氚核 1 和一个氘核 1H)可聚变 1 4 成一氦核 2 H e , 并产生一个中子 0 n , 试问这个核聚
变中有多少能量被释放出来 .
解 核聚变反应式
2 3 4 1 1 H 1 H 2 He 0 n
2 2 m0c ( 1H) 1875.628MeV 2 3 m0c ( 1H) 2808.944MeV 2 4 m0c ( 2 He) 3727.409MeV 2 1 m0c (0 n ) 939.573MeV
2
2
1
c2
c ux
2
2
c
ux 2
c 2 ux 2 1 2
c ux
c2
2
c2
2u x c 2 2u x 2
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5-18 太阳由于向四面空间辐射能量， 每秒损失了质量 4×109kg。求太阳的辐 射功率。
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解：
P
=
Δ mc Δt
2
=Δ
mc 1
2
= 4×109×(3×108)2
= 3.6×1026 J/s
=3.6×1026 W
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(2) 设恒星为K系，飞船A为K′系。由已知 条件可知K′系相对K系是速度为：
v = 0.8c 飞船B 在K系中的速度为：
ux = 0.8c
飞船B在K′系中的速度为：
ux´
=
1
ux v
c
v ux
2
=
0.8c 0.8c 1+(0.8c )2 c 2
=
而根据咖利略速度变换
0.98c
ux´= ux v = 0.8c
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解：设K′系相对K系以速度 v 沿x 轴正向运 动，由洛仑兹坐标变换
x´=
x 1
vt
v2 c2
y´= z
代入式 x´2+ y´2 =a2 z´=0
z´= z
x vt
1
v2 c2
2+ y 2=a2
(x v t)2
a
1
v2 c2
y2 + a2 = 1
在K系中的观察者测得该质点作椭圆运
动，椭圆的中心以速度v 移动。
中 国 航 天
K′ v
A
飞船B 在K′系中的速度为
ux´
=
1
ux v
c
v ux
2
= 1
2.0×108 2.5×108 2.0×108×2.5×108
9.0×1016
= 1.125×108 m/s
结束 目录
(2) 设地球为K系，飞船B为K′系。由
已知条件可知K′系相对K系是速度为
v = 2.0×108 m/s 飞船A 在K系中的速度为
0.8c = 1.6c >c 结束 目录
5-11 一原子核以0.5c 的速度离开一观察 者而运动。原子核在它运动方向上向前发射 一电子，该电子相对于核有0.8c 的速度；此 原子核又向后发射了一光子指向观察者。对 静止观察者来讲，
（1）电子具有多大的速度； （2）光子具有多大的速度。
结束 目录
解：设观测者为K系，原子核为K′系。
结束 目录
解：由已知条件
Δ x = 0 τ 0 =Δ t = 2s Δ t´= 3s
由时间膨胀公式： Δ t´=
τ0
1
v2 c2
可得： v = ± c 1 (τΔ t0´)2 = ± 35c
± ± ±
Δ x ´= Δ x 1
vΔ t v2
=
3 2
(0
5 3
c
×
2
)
c 2 = 6.71×108 m
所以在K′系测得两事件发生的空间间隔为：
发生。若K′系相对于K系沿 x 轴负向运动，
则 v = 23c
,Δt′= 0.577×10-8 s
结束 目录
5-7 在K系中观察到的两事件发生在空间 同一地点，第二事件发生在第一事件以后2s。 在另一相对K系运动的K′系中观察到第二事 件是在第一事件3s之后发生的，求在K′系 中测量两事件之间的位置距离。
相对论习题
5-1 5-2 5-3 5-4 5-5 5-6 5-7 5-8 5-9 5-10 5-11 5-12 5-13 5-14 5-15 5-16 5-17 5-18 5-19 5-20 5-21 5-22 5-23
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5-1 一个质点，在惯性系K′中作匀速圆 周运动，轨道方程为：
x´2+ y´2 =a2 z´=0 试证：在惯性系K中的观察者测得该质 点作椭圆运动，椭圆的中心以速度u 移动。
6.71×108 m
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5-8 π+介于是一不稳定粒于，平均寿命
是2.6×l0-8 s（在它自己参考系中测得）． （1）如果此粒于相对于实验室以0.8c的速
度运动，那么实验室坐标系中测量的π+介子
寿命为多长？
（2）π+介于在衰变前运动了多长距离？
结束 目录
解：由已知条件可得π+介子衰变的固有 时间为：
c2
c
2
tgq
=
uy ux
=
c
sinq ´ 1 v 2 ccosq ´+ v
c2
结束 目录
5-13 如一观察者测出电子质量为2m。，
问电子速度为多少？（m。为电子的静止质
量）
结束 目录
解：
2m0 =
m0
1 v2 c2
1 1 v2 c2 = 2
v=
3 2
c
=
0.866c
结束 目录
5-14 某人测得一静止棒长为人质量为m， 于是求得此棒线密度为ρ=m/l 。假定此棒 以速度 v 在棒长方向上运动，此人再测棒的 线密度应为多少，若棒在垂直长度方向上运 动，它的线密度又为多少？
ux = 2.5×108 m/s
K
K′
v
B
u´x
中 国 航 天
中 国 航 天
ux
A
飞船A在K′系中的速度为
ux´
=
1
ux v
c
v ux
2
= 1
2.5×108 2.0×108 2.5×108×2.0×108
9.0×1016
= 1.125×108 m/s
结束 目录
5-10 二只宇宙飞船相对某遥远的恒星以 0.8c 的速率向相反方向移开。试用速度变换 法则证明，二飞船的相对速度是1.6c/1.64， 并与们利略变换所得的结果进行比较。
结束 目录
解： 2H + 2H
4He +Δ E
氘核静止质量 m 0= 2.0136u
其中u为原子质量单位
1u =1.658×10-27 kg Δ E =Δ mc 2
= (2×2.0136
4.0015 ) ×1.658×10-27× 9.0×1016 1.602×10-19
= 23.9×106 eV = 23.9 MeV
Δ t′ =
H v
=
3.67×108 0.3×3.0×108
= 4.08s
结束 目录
飞船的飞行时间也可以这样求得：对于飞船 上的观察者来说，从地球出发及到达月球这两事 件都发生在飞船上，他所测得的时间为固有时间
τ0由时间膨胀公式可得:
τ 0 =Δ t
1
v2 c 2=
4.27
1
0.3 2 = 4.08s
结束 目录
解：设地球至月球的距离为H0,飞船的速度为v,地 球上的观察者测得飞船从地球到月球的时间为Δt
Δ
t=
H v
0
=
3.84×108 0.3×3.0×108
=
4.27s
在飞船上测量，地球到月球的距离H为
H=H0 1
v2 c2
= 3.84×102
Hale Waihona Puke 1-0.32= 3.67×108m
在飞船上测量，飞船的旅行时间为：
结束 目录
当电子的速度为v2=1.0×108 m/s时的动能
E k2=m 2c 2 m 0c 2 =
m 0c 2
1 v2 c2
=(
1
1 v2 c2
1)m 0c 2
m 0c 2
=
1 1 ( 2.0 )2
1 ×0.511×106×1.602×10-19
3.0
= 2.79×10-14 J
结束 目录
(2)按《经典力学》计算
结束 目录
解：
Eq t = m v = m 0v 1 v2 c2
E 2q 2t 2 =
m
2 0
v
2
1 v2 c2
v
2
=
m
E
2 0
c
2q 2t 2c 2 2+E 2q 2t
2
v=
Eq tc
m
2 0
c
2+E
2q 2t 2
若不考虑相对论效应
Eq t = m 0v
Eq t v = m0
结束 目录
5-16 设电子的速度为 (1)1.0×106 m/s; (2) 2.0×108m/s,试计算电子的动能各是多 少？如用经典力学公式计算电子动能又各为 多少？
结束 目录
解：(1)
l = l´ 1 v2 c2 m´= m
1 v2 c2
ρ
´=
m´ l´
解得：
ρ ´=
l
m (1 v2
c2)
=
1
ρ
v2 c2
结束 目录
(2) 解得：
l = l´ m´= m
1 v2 c2
ρ
´=
m´ l´
ρ ´= m
=
l 1 v2 c2
ρ
1 v2 c2
结束 目录
5-15 设有一静止质量为 m0 、带电荷量 为 q 的粒子，其初速为零，在均匀电场E 中 加速，在时刻 t 时它所获得的速度是多少？ 如果不考虑相对论效应，它的速度又是多少？ 这两个速度间有什么关系？讨论之。
结束 目录
5-6 在K系中观察到两个事件同时发生在 x 轴上，其间距离是1m，在K′系中观察这 两个事件之间的空间距离是2m，求在K′系 中这两个事件的时间间隔。
结束 目录
解：设 K′系相对于K 系以速度v 沿x 轴正
向运动,K系中观测到两事件同时发生Δt =0，
空间间隔Δx =1m；K′系中观测到这两事