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习题4 4.1 选择题 （1）在一惯性系中观测，两个事件同时不同地，则在其他惯性系中观测，他们 。 （A）一定同时 （B）可能同时 （C）不可能同时，但可能同地 （D）不可能同时，也不可能同地 答案：D （2）在一惯性系中观测，两个事件同地不同时，则在其他惯性系中观测，他们 。 （A）一定同地 （B）可能同地 （C）不可能同地，但可能同时 （D）不可能同地，也不可能同时 答案：D （3）宇宙飞船相对于地面以速度v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）ct （B）vt （C） () 2 1/ ct vc （D）() 2 1/ct vc 答案：A （4）一宇航员要到离地球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v应为 。 （A）0.5c （B）0.6c （C）0.8c （D）0.9c 答案：C （5）某宇宙飞船以0.8c的速度离开地球，若地球上测到它发出的两个信号之间的时间间隔 为10s。则宇航员测出的相应的时间间隔为 。 （A）6s （B）8s （C）10s （D）10/3s 答案：A 4.2 填空题 （1） 有一速度为的宇宙飞船沿轴正方向飞行，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_。 答案：c，c； （2） S系相对S系沿x轴匀速运动的速度为0.8c，在 S中观测，两个事件的时间间隔 7 510ts =，空间间隔是 120 x m=，则在S系中测得的两事件的空间间隔 x= ，时间间隔t= 。 答案：0， 7 310s （3）用v表示物体的速度，则当 v c = 时， 0 2mm=； v c = 时， 0k EE=。 答案： 3 2 ， 3 2 （4）电子的静止质量为 e m，将一个电子从静止加速到速率为0.6c（c为真空中的光速）， 需做功 。 答案：0.25 2 e mc （5）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。 答案：4 （6）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。 答案：4 4.3 惯性系S相对另一惯性系S沿x轴作匀速直线运动，取两坐标原点重合时刻作为计时 起点在S系中测得两事件的时空坐标分别为 1 x =610 4 m, 1 t =210 -4 s，以及 2 x =1210 4 m, 2 t =110 -4 s已知在S系中测得该两事件同时发生试问： (1)S系相对S系的速度是多少? (2) S系中测得的两事件的空间间隔是多少? 解: 设)(S相对S的速度为v， (1) )( 1 2 11 x c v tt = )( 2 2 22 x c v tt = 由题意 0 12 = tt 则 )( 12 2 12 xx c v tt = 故 8 12 122 105.1 2 = = c xx tt cv 1 sm (2)由洛仑兹变换 )(),( 222111 vtxxvtxx = 代入数值， m102.5 4 12 = xx 4.4 长度 0 l =1 m 的米尺静止于S系中，与x 轴的夹角 = 30，S系相对S系沿x轴运 动，在S系中观测者测得米尺与x轴夹角为= 45 试求： (1)S系和S系的相对运动速度. (2)S系中测得的米尺长度 解: (1)米尺相对S静止，它在yx ,轴上的投影分别为： m866.0cos 0 = LL x ，m5.0sin 0 = LL y 米尺相对S沿x方向运动，设速度为v，对S系中的观察者测得米尺在x方向收缩，而y方 向的长度不变，即 yyxx LL c v LL = ,1 2 2 故 2 2 1 tan c v L L L L L L x y x y x y = = 把 45=及 yx LL ,代入 则得 866.0 5.0 1 2 2 = c v 故 cv 816.0= (2)在S系中测得米尺长度为m707.0 45sin = = y L L 4-5两个惯性系中的观察者O和O以0.6c(c表示真空中光速)的相对速度相互接近，如果O 测得两者的初始距离是20m，则O测得两者经过多少时间相遇? 解: O测得相遇时间为t cv L t 6.0 20 0 = O 测得的是固有时t 题4.5图 v L t t 2 0 1 = = s1089.8 8 =， 6.0= c v ， 8.0 1 = ， 或者，O测得长度收缩， v L tLLLL = ,8.06.011 0 2 0 2 0 s1089.8 1036.0 208.0 6.0 8.0 8 8 0 = = c L t 4.6 观测者甲乙分别静止于两个惯性参考系S和S中，甲测得在同一地点发生的两事件的 时间间隔为 4s，而乙测得这两个事件的时间间隔为 5s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间的距离 解: 甲测得0,s4 = xt ,乙测得s5=t，坐标差为 12 xxx = (1) t c v tx c v tt =+= 2 2 )(1 1 )( Q 5 4 1 2 2 = = t t c v 解出 cc t t cv 5 3 ) 5 4 (1)(1 22 = = 8 108.1 = 1 sm (2) () 0, 4 5 , = = x t t tvxx m10934 5 3 4 5 8 = cctvx 负号表示0 12 d，故该介子能到达地球 或在介子静止系中，介子是静止的地球则以速度v接近介子，在 0 t时间内，地球接 近的距离为m599 0 = tvd m6000 0 =d经洛仑兹收缩后的值为： m3791 2 2 00 = c v dd 0 dd ，故介子能到达地球 4.8 设物体相对S系沿x轴正向以0.8c运动，如果S系相对S系沿x轴正向的速度也 是0.8c，问物体相对S系的速度是多少? 解: 根据速度合成定理，cu 8.0= , cv x 8.0= c c cc cc c vu uv v x x x 98.0 8.08.0 1 8.08.0 1 22 = + + = + + = 4.9 飞船A以0.8c的速度相对地球向正东飞行，飞船B以0.6c的速度相对地球向正西方向飞 行当两飞船即将相遇时A飞船在自己的天窗处相隔2s发射两颗信号弹在B飞船的观测 者测得两颗信号弹相隔的时间间隔为多少? 解: 取B为S系，地球为S系，自西向东为x(x)轴正向，则A对S系的速度cv x 8.0=， S系对S系的速度为cu 6.0=，则A对S系(B船)的速度为 c cc c vu uv v x x x 946.0 48.01 6.08.0 1 2 = + + = + + = 发射弹是从A的同一点发出，其时间间隔为固有时s2=t， 题4.9图 B中测得的时间间隔为： s17.6 946.01 2 1 2 2 2 = = = c v t t x 4.10 (1)火箭A和B分别以0.8c和0.6c的速度相对地球向+x和-x方向飞行试求由火箭 B测得A的速度(2)若火箭A相对地球以0.8c的速度向+ y方向运动，火箭B的速度不变， 求A相对B的速度 解: (1)如图a，取地球为S系，B为S系，则S相对S的速度cu 6.0=，火箭A相对S 的速度cv x 8.0=，则A相对S(B)的速度为： c c cc cc v c u uv v x x x 946.0 )8.0)(6.0( 1 )6.0(8.0 1 22 = = = 或者取A为S系，则cu 8.0=，B相对S系的速度cv x 6.0=，于是B相对A的速度为： c c cc cc v c u uv v x x x 946.0 )6.0)(8.0( 1 8.06.0 1 22 = = = (2)如图b，取地球为S系，火箭B为S系，S系相对S系沿x方向运动，速度 cu 6.0=，A对S系的速度为, 0= x v , cv y 8.0= ,由洛仑兹变换式A相对B的速度为： c c v c u uv v x x x 6.0 01 )6.0(0 1 2 = = = cc v c u v c u v x y y 64.0)8.0(6.01 1 1 2 2 2 2 = = A相对B的速度大小为 cvvv yx 88.0 22 =+= 速度与x轴的夹角为 07.1tan = = x y v v 8.46= 题4.10图 4.11 静止在S系中的观测者测得一光子沿与x轴成60角的方向飞行另一观测者静止于 S系，S系的x轴与x轴一致，并以0.6c的速度沿x方向运动试问S系中的观测者观 测到的光子运动方向如何? 解: S系中光子运动速度的分量为 ccv x 500.060cos = ccv y 866.060sin = 由速度变换公式，光子在S系中的速度分量为 c c cc cc v c u uv v x x x 143.0 5.06.0 1 6.05.0 1 22 = = = c c cc c v c u v c u v x y y 990.0 5.06.0 1 866.06.01 1 1 2 2 2 2 2 = = = 光子运动方向与x轴的夹角满足 692.0tan = = x y v v 在第二象限为 2.98= 在S系中，光子的运动速度为 cvvv yx =+= 22 正是光速不变 4.12 (1)如果将电子由静止加速到速率为0.1c，须对它作多少功?(2)如果将电子由速率为 0.8c加速到0.9c，又须对它作多少功? 解: (1)对电子作的功，等于电子动能的增量，得 )1 1 1 ()1( 2 2 2 0 2 0 2 0 2 = c v cmcmcmmcEE kk )1 1.01 1 ()103(101.9 2 2831 = 16 1012.4 = J= eV1057.2 3 (2) )()( 2 0 2 1 2 0 2 2 12 cmcmcmcmEEE kkk = ) 1 1 1 1 ( 2 2 1 2 2 2 2 0 2 1 2 2 c v c v cmcmcm = ) ) 8.01 1 9.01 1 (103101.9 22 16231 = J1014.5 14 = eV1021.3 5 = 4.13 子静止质量是电子静止质量的 207倍，静止时的平均寿命 0 =210 -6 s，若它在实验 室参考系中的平均寿命 = 710 -6 s，试问其质量是电子静止质量的多少倍? 解: 设子静止质量为 0 m，相对实验室参考系的速度为cv =，相应质量为m，电子静 止质量为 e m 0 ，因 2 7 1 1 , 1 0 22 0 = = 即 由质速关系，在实验室参考系中质量为： 2 0 2 0 1 207 1 = = e mm m 故 725 2 7 207 1 207 2 0 = = e m m 4.14 一物体的速度使其质量增加了10%，试问此物体在运动方向上缩短了百分之几? 解: 设静止质量为 0 m，运动质量为m， 由题设 10.0 0 0 = m mm 2 0 1 = m m 由此二式得 10.01 1 1 2 = 10.1 1 1 2 = 在运动方向上的长度和静长分别为l和 0 l，则相对收缩量为： %1.9091.0 10.1 1 111 2 0 0 0 = = l ll l l 4.15 氢原子的同位素氘( 2 1 H)和氚( 3 1 H)在高温条件下发生聚变反应，产生氦( 4 2 He)原子核和 一个中子( 1 0 n)，并释放出大量能量，其反应方程为 2 1 H + 3 1 H 4 2 He + 1 0 n 已知氘核的静 止质量为2.0135原子质量单位(1原子质量单位1.60010 -27 kg)，氚核和氦核及中子的质 量分别为3.0155，4.0015，1.00865原子质量单位求上述聚变反应释放出来的能量 解: 反应前总质量为0290.50155.30135.2 =+ amu 反应后总质量为0102.50087.10015.4 =+ amu 质量亏损 0188.00102.50290.5 =m amu kg1012.3 29 = 由质能关系得 ( ) 2 8292 1031012.3 = mcE J1081.2 21 = 7 1075.1 = eV 4.16 要使电子的速率从 8 1.2 10 m/s增加到 8 2.4 10 m/s，必须做多少功？ 解：由于电子的速率接近光速，因此经典力学的动能公式已经不适用，只能运用相对论的动 能表达式 2 0 2 cmmcE k =。 再根据相对论中运动质量和静止质量的关系 , 1 2 2 1 0 1 c v m m = 2 2 2 0 2 1 c v m m =。 可得出 )(107.4 11 14 2 2 1 0 2 2 2 0 J c v m c v m E k = =， 由功能关系可知，这就是所需要做的功。 4.17 粒子的静止质量为m 0 ,当其动能等于其静能时，其质量和动量各等于多少？ 解：由题意有 2 0 cmE k =， 再根据相对论中的动能关系： 2 0 2 cmmcE k =，则有 0 2mm =。 由动量和能量的关系， 22 0 22 )()( cmmcpc =， 得动量为 cmp 0 3=。 4.18 太阳的辐射能来自其内部的核聚变反应。太阳每秒钟向周围空间辐射出的能量约为 26 510 J/s，由于这个原因，太阳每秒钟减少多少质量？把这个质量同太阳目前的质量 30 210 Kg作比较，估算太阳的寿命是多少年。 解：由质能关系 2 mcE =， 可得出太阳每秒钟减少的质量为 )/(106.5 )103( 105 9 28 26 2 skg c E m = = =。 进而，可估计太阳的寿命是 13 9 30 1013.1 365243600106.5 102 = =n（年）。