大学物理上册课后答案第4章 狭义相对论时空观

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习题

4-1一辆高速车以0.8c的速率运动。地上有一系列的同步钟，当经过地面上的一台钟时，驾驶员注意到它的指针在t?0，他即刻把自己的钟拨到t'?0。行驶了一段距离后，他自己的钟指到6us时，驾驶员看地面上另一台钟。问这个钟的读数是多少？?t??t01?u/c22?6?s1?(0.8c/c)2?10(?s)

所以地面上其次个钟的读数为

t?t'??t?10(?s)

4-2在某惯性参考系S中，两事件发生在同一地点而时间间隔为4s，另一惯性参考系S′以速度u?0.6c相对于S系运动，问在S′系中测得的两个事件的时间间隔和空间间隔各是多少？

已知原时?t?4(s)，则测时

?t'??t1?u/c22?4s1?0.6，得：

2?5(s)

由洛伦兹坐标变换x'?x?ut1?u/c?22?x'?x2'?x1'?

x0?ut11?u2/c2x0?ut21?u2/c2?u?t1?u2/c2?9.0?108(m)

4-3S系中测得两个事件的时空坐标是x1=6×104m，y1=z1=0，t1=2×10-4s和x2=12×104m，y2=z2=0，t2=1×10-4s。假使S′系测得这两个事件同时发生，则S′系相对于S系的速度u是多少？S′系测得这两个事件的空间间隔是多少？

4?4?x?6?10(m)，?y??z?0，?t??1?10(s)，?t'?0

1

2

?t'??(?t?u?x)?0c2u?xc2?t??t?2?u???1.5?108(m/s)c?x?x'??(?x?u?t)?5.2?104(m)

4-4一列车和山底隧道静止时等长。列车高速穿过隧道时，山顶上一观测者看到当列车完全进入隧道时，在隧道的进口和出口处同时发生了雷击，但并未击中列车。试按相对论理论定性分析列车上的旅客应观测到什么现象？这现象是如何发生的？S系（山顶观测者）看雷击同时发生，但车厢长度短于山洞长度，故未被击中。

S'系（列车观测者）看雷击不同时发生。虽然车厢长度长于山洞长度，但出洞处

先遭雷击，入洞处后遭雷击，此时车尾已经进入山洞。故未被击中。

4-5一飞船以0.99c的速率平行于地面飞行，宇航员测得此飞船的长度为400m。（1）地面上的观测者测得飞船长度是多少？（2）为了测得飞船的长度，地面上需要有两位观测者携带着两只同步钟同时站在飞船首尾两端处。那么这两位观测者相距多远？（3）宇航员测得两位观测者相距多远？

222（1）l?l01?u/c?4001?0.99?56.4(m)

（2）这两位观测者需同时测量飞船首尾的坐标，相减得到飞船长度，所以两位观测者相距是56.4m。

（3）上的两位观测者相距56.4m，这一距离在地面参考系中是原长，宇航员看地面是运动的，他测得地面上两位观测者相距为

l?l01?u2/c2?56.41?0.992?7.96(m)

所以宇航员测得两位观测者相距7.96m。

4-6一艘飞船原长为l0，以速度v相对于地面作匀速直线飞行。飞船内一小球从尾部

2

3

运动到头部，宇航员测得小球运动速度为u，求地面观测者测得小球运动的时间。宇航员测得小球离开尾部的时空坐标为（x1',t1')，小球到达头部的时空坐标为

（x2',t2')。地面上测得小球运动的时间为：

?t?t2?t1?11?v2/c21v?x'?(?t'?2)c1?v2/c2(t2'?2'11')?(t'?)1222c2c1?v/c

?x2'?x1'?l0，t2'?t1'?l0/u

u?x'l0(1?uv/c2)??t?(?t'?2)?2222c1?u/cu1?v/c1

4-7在试验室中测得两个粒子均以0.75c的速度沿同一方向飞行，它们先后击中同一静止靶子的时间间隔为5×10-8s。求击中靶子前两个粒子相互间的距离。?x?u?t?11.25(m)

4-8在参考系S中，一粒子沿x轴做直线运动，从坐标原点O运动到x=1.50×108m处，经历时间Δt=1s。试计算粒子运动所经历的原时是多少？粒子在S系中的速度为

u?x?0?1.5?108(m?s?1)?t22原时为：?t0??t1?u/c?0.866(s)

4-9一个在试验室中以0.8c的速度运动的粒子飞行了3m后衰变。试验室中的观测者测量该粒子存在了多少时间？与粒子一起运动的观测者测得该粒子在衰变前存在了多少时间？

3

4

试验室中的观测者测得粒子的存在时间为：?t??x?1.25?10?8(s)u与粒子一起运动的观测者测得粒子的存在时间为原时

?t0??t1?u2/c2?1?10?8(s)

4-10

远方的一颗星体以0.8c的速率离开我们。我们接收到它辐射出来的闪光周期

是5昼夜，求固定在星体上的参考系测得的闪光周期。

我们接收的闪光周期是测时，固定在星体上的参考系测得的闪光周期为原时，即原时为：?t'??t1?u2/c2?3(昼夜)4-11

一星体与地球之间的距离是16光年。一观测者乘坐以0.8c速度飞行的飞船

从地球出发向着星体飞去。该观测者测得飞船到达星体所花的时间是多少？试解释计算结果。

星体与地球之间的距离是原长，飞船上的观测者测得的距离是测长，测长为：

L'?L01?u2/c2?1?0.82L0?9.6(光年)

?t'?L'?12(年)0.8cL0?20(年)0.8c地球上的观测者测得飞船到达星体所花的时间为：?t?飞船上的观测者测得的时间是原时，地球上的观测者测得飞船到达星体所花的时间为测时，这正是时间膨胀的一种表现。4-12

一根固有长度为1m的尺子静止在S′系中，与O′x′轴成30°角。假使在S系

中测得该尺与Ox轴成45°角，则S′系相对于S系的速度u是多少？S系测得该尺的长度是多少？

在S'系中，米尺在x′轴方向的投影长度为：x'?L0cos30??3(m)24

5

在y′轴方向的投影长度为：y'?L0sin30??0.5(m)在S系中，米尺在y轴方向的投影长度不变，y?y'?0.5(m)

由于米尺在S系中测得该尺与Ox轴的夹角为45°，则在x轴方向的投影长度为：

x?0.5(m)，即

x?1?u2/c2x'?0.5?31?u2/c22S′系相对于S系的速度为：u?2c3S系中测得该尺的长度为：L?2?0.5?0.707(m)4-13

一立方体的质量和体积分别为m0和V0。求立方体沿其一棱的方向以速速u

运动时的体积和密度。

设立方体沿x方向运动，立方体的一条棱边平行于x轴。立方体的原边长为a0?3V0

22运动时，沿x轴方向边长为：a'?1?u/ca0

2222因此物体的体积为：V'?1?u/ca0?a0?a0?V01?u/c

运动时，物体的质量为：m?因此运动时物体的密度为：

11?u/c22m0

?'?4-14