大学物理第4章 狭义相对论时空观习题解答改

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0=t ,她即刻把自己的钟拨到0'=t 。行驶了一段距离后,她自己的钟指到6 us 时,驾驶员瞧地面上另一台钟。问这个钟的读数就是多少？ 【解】s)(10)

/8.0(16/12

2

2

0μ=-μ=

-∆=

∆c c s c

u t t

所以地面上第二个钟的读数为

)(10's t t t μ=∆+=

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4 s,另一惯性参考系S′ 以速度c u 6.0=相对于S 系运动,问在S′ 系中测得的两个事件的时间间隔与空间间隔各就是多少？

【解】已知原时(s)4=∆t ,则测时

(s)56

.014/1'2

2

2

=-=

-∆=

∆s c

u t t

由洛伦兹坐标变换2

2

/1'c u ut x x --=

,得:

)(100.9/1/1/1'''82

22

2202

21012m c u t u c u ut x c u ut x x x x ⨯=-∆=

---

--=

-=∆

4-3 S 系中测得两个事件的时空坐标就是x 1=6×104 m,y 1=z 1=0,t 1=2×10-4 s 与x 2=12×104 m,y 2=z 2=0,t 2=1×10-4 s 。如果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 就是多少？S′ 系测得这两个事件的空间间隔就是多少？ 【解】(m)1064

⨯=∆x ,0=∆=∆z y ,(s)1014

-⨯-=∆t ,0'=∆t

0)('2=∆-

∆γ=∆c

x

u t t 2c

x

u t ∆=∆⇒ (m/s)105.182⨯-=∆∆=⇒x t c u (m )102.5)('4⨯=∆-∆γ=∆t u x x

4-4 一列车与山底隧道静止时等长。列车高速穿过隧道时,山顶上一观察者瞧到当列车完全进入隧道时,在隧道的进口与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察到什么现象？这现象就是如何发生的？ 【解】S 系(山顶观察者)瞧雷击同时发生,但车厢长度短于山洞长度,故未被击中。

'S 系(列车观察者)瞧雷击不同时发生。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400 m 。(1)地面上的观察者测得飞船长度就是多少？(2)为了测得飞船的长度,地面上需要有两位观察者携带着两只同步钟同时站在飞船首尾两端处。那么这两位观察者相距多远？(3)宇航员测得两位观察者相距多远？

【解】(1))(4.5699.01400/12

2

2

0m c u l l =-=-=

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

(3)上的两位观察者相距56.4 m,这一距离在地面参考系中就是原长,宇航员瞧地面就是运动的,她测得地面上两位观察者相距为

)(96.799.014.56/12220m c u l l =-=-=

所以宇航员测得两位观察者相距7.96 m 。

4-6 一艘飞船原长为l 0,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运

动到头部,宇航员测得小球运动速度为u ,求地面观察者测得小球运动的时间。

【解】宇航员测得小球离开尾部的时空坐标为)','11t x （,小球到达头部的时空坐标为)','22t x （。地面上测得小球运动的时间为:

)

''(/11)'

'(/11)''(/11

22

2211222222

212c x v t c v c vx t c

v c vx t c v t t t ∆+∆-=+--+

-=

-=∆

012''l x x =- ,u l t t /''012=-

2220222/1)

/1()''(/11

c

v u c uv l c x u t c u t -+=

∆+∆-=∆∴

4-7 在实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5×10-8 s 。求击中靶子前两个粒子相互间的距离。 【解】(m)25.11=∆=∆t u x

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、50×108 m 处,经历时间Δt =1 s 。试计算粒子运动所经历的原时就是多少？ 【解】粒子在S 系中的速度为

)(105.10

18-⋅⨯=∆-=

s m t

x u 原时为:)(866.0/12

2

0s c u t t =-∆=∆

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

【解】实验室中的观察者测得粒子的存在时间为:(s)1025.18-⨯=∆=

∆u

x

t 与粒子一起运动的观察者测得粒子的存在时间为原时

(s)101/18220-⨯=-∆=∆c u t t

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就是5昼夜,求固定在星体上的参考系测得的闪光周期。

【解】我们接收的闪光周期就是测时,固定在星体上的参考系测得的闪光周期为原时,即原时为:)(3/1'22昼夜=-∆=∆c u t t

4-11 一星体与地球之间的距离就是16光年。一观察者乘坐以0.8c 速度飞行的飞船从地球出发向着星体飞去。该观察者测得飞船到达星体所花的时间就是多少？试解释计算结果。

【解】星体与地球之间的距离就是原长,飞船上的观察者测得的距离就是测长,测长为:

)(6.98.01/1L '02220光年=-=-=L c u L

)(128.0'

'年==

∆c

L t 地球上的观察者测得飞船到达星体所花的时间为:)(208.00年==∆c

L

t

飞船上的观察者测得的时间就是原时,地球上的观察者测得飞船到达星体所花的时间为测时,这正就是时间膨胀的一种表现。

4-12 一根固有长度为1 m 的尺子静止在S′系中,与O ′x′轴成30°角。如果在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 就是多少？S 系测得该尺的长度就是多少？

【解】在'S 系中,米尺在x′ 轴方向的投影长度为:(m)2

3

30cos '0=

=

L x