2020年高中物理竞赛习题十三：狭义相对论（Word版含解析）.doc

1、高中物理竞赛习题十三：狭义相对论1有下列几种说法：(1) 两个相互作用的粒子系统对某一惯性系满足动量守恒，对另一个惯性系来说，其动量不一定守恒；(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.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分析与解物理相对性原理和光速不变原理是相对论的基础.前者是理论基础，后者是实验基础.按照这两个原理，任何物理规律(含题述动量守恒定律)对某一惯性系成立，对另一惯性系也同样成立.而

2、光在真空中的速度与光源频率和运动状态无关，从任何惯性系(相对光源静止还是运动)测得光速均为3108 ms-1 .迄今为止，还没有实验能推翻这一事实.由此可见，(2)(3)说法是正确的，故选(C).2按照相对论的时空观，判断下列叙述中正确的是()(A) 在一个惯性系中两个同时的事件，在另一惯性系中一定是同时事件(B) 在一个惯性系中两个同时的事件，在另一惯性系中一定是不同时事件(C) 在一个惯性系中两个同时又同地的事件，在另一惯性系中一定是同时同地事件(D) 在一个惯性系中两个同时不同地的事件，在另一惯性系中只可能同时不同地() 在一个惯性系中两个同时不同地事件，在另一惯性系中只可能同地不同时分

3、析与解设在惯性系中发生两个事件，其时间和空间间隔分别为t 和x，按照洛伦兹坐标变换，在系中测得两事件时间和空间间隔分别为和讨论上述两式，可对题述几种说法的正确性予以判断：说法(A)(B)是不正确的，这是因为在一个惯性系(如系)发生的同时(t0)事件，在另一个惯性系(如系)中是否同时有两种可能，这取决于那两个事件在 系中发生的地点是同地(x0)还是不同地(x0).说法(D)()也是不正确的，由上述两式可知：在系发生两个同时(t0)不同地(x0)事件，在系中一定是既不同时(t0)也不同地(x0)，但是在 系中的两个同时同地事件，在系中一定是同时同地的，故只有说法(C)正确.有兴趣的读者，可对上述两

4、式详加讨论，以增加对相对论时空观的深入理解.3有一细棒固定在系中，它与Ox轴的夹角60，如果系以速度u 沿Ox方向相对于系运动，系中观察者测得细棒与Ox 轴的夹角()(A) 等于60 (B) 大于60 (C) 小于60(D) 当系沿Ox 正方向运动时大于60，而当系沿Ox负方向运动时小于60分析与解按照相对论的长度收缩效应，静止于系的细棒在运动方向的分量(即Ox 轴方向)相对系观察者来说将会缩短，而在垂直于运动方向上的分量不变，因此系中观察者测得细棒与Ox 轴夹角将会大于60，此结论与系相对系沿Ox 轴正向还是负向运动无关.由此可见应选(C). 4一飞船的固有长度为L，相对于地面以速度v1 作

5、匀速直线运动，从飞船中的后端向飞船中的前端的一个靶子发射一颗相对于飞船的速度为v2 的子弹.在飞船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) (B) (C) (D) 分析与解固有长度是指相对测量对象静止的观察者所测，则题中L、v2 以及所求时间间隔均为同一参考系(此处指飞船)中的三个相关物理量，求解时与相对论的时空观无关.故选(C).讨论从地面测得的上述时间间隔为多少？ 建议读者自己求解.注意此处要用到相对论时空观方面的规律了.5设系以速率v0.60c相对于系沿xx轴运动，且在tt0时，x x0.(1)若有一事件，在系中发生于t2.0107，x50m处，该事件在系中

6、发生于何时刻？(2)如有另一事件发生于系中t3.010-7 ，x10m处，在系中测得这两个事件的时间间隔为多少？分析在相对论中，可用一组时空坐标(x，y，z，t)表示一个事件.因此，本题可直接利用洛伦兹变换把两事件从系变换到系中.解(1) 由洛伦兹变换可得系的观察者测得第一事件发生的时刻为(2) 同理，第二个事件发生的时刻为所以，在系中两事件的时间间隔为6设有两个参考系 和，它们的原点在t0和t0时重合在一起.有一事件，在系中发生在t8.0108 s，x60m，y0，z0处，若系相对于系以速率v0.6c 沿xx轴运动，问该事件在系中的时空坐标各为多少？分析本题可直接由洛伦兹逆变换将该事件从系转

7、换到系.解由洛伦兹逆变换得该事件在 系的时空坐标分别为y y0z z07一列火车长0.30 km(火车上观察者测得)，以100 kmh-1 的速度行驶，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？分析首先应确定参考系，如设地面为系，火车为系，把两闪电击中火车前后端视为两个事件(即两组不同的时空坐标).地面观察者看到两闪电同时击中，即两闪电在系中的时间间隔tt2t10.火车的长度是相对火车静止的观察者测得的长度(注：物体长度在不指明观察者的情况下，均指相对其静止参考系测得的长度)，即两事件在系中的空间间隔xx2 x10.30103

8、 m.系相对系的速度即为火车速度(对初学者来说，完成上述基本分析是十分必要的).由洛伦兹变换可得两事件时间间隔之间的关系式为 (1) (2)将已知条件代入式(1)可直接解得结果.也可利用式(2)求解，此时应注意，式中为地面观察者测得两事件的空间间隔，即系中测得的火车长度，而不是火车原长.根据相对论，运动物体(火车)有长度收缩效应，即.考虑这一关系方可利用式(2)求解.解1根据分析，由式(1)可得火车(系)上的观察者测得两闪电击中火车前后端的时间间隔为负号说明火车上的观察者测得闪电先击中车头x2 处.解2根据分析，把关系式 代入式(2)亦可得与解1相同的结果.相比之下解1较简便，这是因为解1中直

9、接利用了0.30 km这一已知条件.8在惯性系中，某事件A发生在x1处，经过2.0 106后，另一事件B发生在x2处，已知x2x1300 m.问：(1) 能否找到一个相对系作匀速直线运动的参考系，在系中，两事件发生在同一地点？(2) 在系中，上述两事件的时间间隔为多少？分析在相对论中，从不同惯性系测得两事件的空间间隔和时间间隔有可能是不同的.它与两惯性系之间的相对速度有关.设惯性系以速度v 相对系沿x 轴正向运动，因在 系中两事件的时空坐标已知，由洛伦兹时空变换式，可得 (1) (2)两事件在系中发生在同一地点，即x2x10，代入式(1)可求出v 值以此作匀速直线运动的系，即为所寻找的参考系.

10、然后由式(2)可得两事件在系中的时间间隔.对于本题第二问，也可从相对论时间延缓效应来分析.因为如果两事件在系中发生在同一地点，则t为固有时间间隔(原时)，由时间延缓效应关系式可直接求得结果.解(1) 令x2x10，由式(1)可得(2) 将v值代入式(2)，可得这表明在系中事件A先发生.9设在正负电子对撞机中，电子和正电子以速度0.90c 相向飞行，它们之间的相对速度为多少？分析设对撞机为系，沿x 轴正向飞行的正电子为系.系相对系的速度v0.90c，则另一电子相对系速度ux0.90c，该电子相对系(即沿x轴正向飞行的电子)的速度ux即为题中所求的相对速度.在明确题目所述已知条件及所求量的物理含义

11、后，即可利用洛伦兹速度变换式进行求解.解按分析中所选参考系，电子相对系的速度为式中负号表示该电子沿x轴负向飞行，正好与正电子相向飞行.讨论若按照伽利略速度变换，它们之间的相对速度为多少？10设想有一粒子以0.050c 的速率相对实验室参考系运动.此粒子衰变时发射一个电子，电子的速率为0.80c，电子速度的方向与粒子运动方向相同.试求电子相对实验室参考系的速度.分析这是相对论的速度变换问题.取实验室为系，运动粒子为系，则系相对系的速度v0.050c.题中所给的电子速率是电子相对衰变粒子的速率，故ux0.80c.解根据分析，由洛伦兹速度逆变换式可得电子相对系的速度为11设在宇航飞船中的观察者测得脱

12、离它而去的航天器相对它的速度为1.2108m-1 i.同时，航天器发射一枚空间火箭，航天器中的观察者测得此火箭相对它的速度为1.0108m-1 i.问：(1) 此火箭相对宇航飞船的速度为多少？ (2) 如果以激光光束来替代空间火箭，此激光光束相对宇航飞船的速度又为多少？ 请将上述结果与伽利略速度变换所得结果相比较，并理解光速是运动体的极限速度.分析该题仍是相对论速度变换问题.(2)中用激光束来替代火箭，其区别在于激光束是以光速c相对航天器运动，因此其速度变换结果应该与光速不变原理相一致.解设宇航飞船为系， 航天器为系， 则系相对系的速度v1.2 108m1 ，空间火箭相对航天器的速度为ux1.

13、0108m1，激光束相对航天器的速度为光速c.由洛伦兹变换可得：(1) 空间火箭相对 系的速度为(2) 激光束相对 系的速度为即激光束相对宇航飞船的速度仍为光速c，这是光速不变原理所预料的.如用伽利略变换，则有uxcv c.这表明对伽利略变换而言，运动物体没有极限速度，但对相对论的洛伦兹变换来说，光速是运动物体的极限速度.12以速度v沿x方向运动的粒子，在y 方向上发射一光子，求地面观察者所测得光子的速度.分析设地面为系，运动粒子为系.与上题不同之处在于，光子的运动方向与粒子运动方向不一致，因此应先求出光子相对系速度u的分量ux、uy 和uz ，然后才能求u的大小和方向.根据所设参考系，光子相

14、对系的速度分量分别为ux0，uyc，uz0.解由洛伦兹速度的逆变换式可得光子相对系的速度分量分别为所以，光子相对系速度u的大小为速度u 与x 轴的夹角为讨论地面观察者所测得光子的速度仍为c，这也是光速不变原理的必然结果.但在不同惯性参考系中其速度的方向却发生了变化.13在惯性系 中观察到有两个事件发生在同一地点，其时间间隔为4.0 s，从另一惯性系中观察到这两个事件的时间间隔为6.0 s，试问从系测量到这两个事件的空间间隔是多少？ 设系以恒定速率相对系沿xx轴运动.分析这是相对论中同地不同时的两事件的时空转换问题.可以根据时间延缓效应的关系式先求出系相对 系的运动速度v，进而得到两事件在系中的

15、空间间隔xvt(由洛伦兹时空变换同样可得到此结果).解由题意知在系中的时间间隔为固有的，即t 4.0，而t6.0 s.根据时间延缓效应的关系式，可得系相对系的速度为两事件在系中的空间间隔为14 在惯性系中， 有两个事件同时发生在xx轴上相距为1.0103m的两处，从惯性系观测到这两个事件相距为2.0103m，试问由系测得此两事件的时间间隔为多少？分析这是同时不同地的两事件之间的时空转换问题.由于本题未给出系相对 系的速度v，故可由不同参考系中两事件空间间隔之间的关系求得v，再由两事件时间间隔的关系求出两事件在系中的时间间隔.解设此两事件在系中的时空坐标为(x1 ，0，0，t1)和(x2 ，0，

16、0，t2 )，且有x2 x1 1.0103m， t2 t1 0.而在系中， 此两事件的时空坐标为(x1 ，0，0，t1 )和(x2 ，0，0，t2 )，且|x2 x1| 2.0103m，根据洛伦兹变换，有 (1) (2)由式(1)可得将v值代入式(2)，可得15若从一惯性系中测得宇宙飞船的长度为其固有长度的一半，试问宇宙飞船相对此惯性系的速度为多少？ (以光速c 表示)解设宇宙飞船的固有长度为l0 ，它相对于惯性系的速率为v，而从此惯性系测得宇宙飞船的长度为，根据洛伦兹长度收缩公式，有可解得v 0.866 c16一固有长度为4.0 m 的物体，若以速率0.60c 沿x 轴相对某惯性系运动，试问

17、从该惯性系来测量，此物体的长度为多少？解由洛伦兹长度收缩公式17若一电子的总能量为5.0MeV，求该电子的静能、动能、动量和速率.分析粒子静能E0是指粒子在相对静止的参考系中的能量，式中为粒子在相对静止的参考系中的质量.就确定粒子来说，E0 和m0均为常数(对于电子，有m0 9.1 1031，E00.512 MeV).本题中由于电子总能量E E0 ，因此，该电子相对观察者所在的参考系还应具有动能，也就具有相应的动量和速率.由相对论动能定义、动量与能量关系式以及质能关系式，即可解出结果.解电子静能为 电子动能为 Ek EE0 4.488 MeV由，得电子动量为由可得电子速率为18一被加速器加速的

18、电子，其能量为3.00 109eV.试问：(1) 这个电子的质量是其静质量的多少倍？ (2) 这个电子的速率为多少？解(1) 由相对论质能关系和可得电子的动质量m 与静质量m0之比为(2) 由相对论质速关系式可解得可见此时的电子速率已十分接近光速了.19在电子偶的湮没过程中，一个电子和一个正电子相碰撞而消失，并产生电磁辐射.假定正负电子在湮没前均静止，由此估算辐射的总能量E.分析在相对论中，粒子的相互作用过程仍满足能量守恒定律，因此辐射总能量应等于电子偶湮没前两电子总能之和.按题意电子偶湮没前的总能只是它们的静能之和.解由分析可知，辐射总能量为20如果将电子由静止加速到速率为0.10c，需对它作多少功？ 如将电子由速率为0.80c 加速到0.90c，又需对它作多少功？分析在相对论力学中，动能定理仍然成立，即，但需注意动能Ek 不能用表示.解由相对论性的动能表达式和质速关系可得当电子速率从 增加到时，电子动能的增量为根据动能定理，当v10，v20.10c 时，外力所作的功为当v10.80 c，v20.90 c 时，外力所作的功为由计算结果可知，虽然同样将速率提高0.1 c，但后者所作的功比前者要大得多，这是因为随着速率的增大，电子的质量也增大.