高中 | 广义相对论 题目答案及解析

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选修3-4

第十五章 相对论简介

15.4 广义相对论简介

广义相对论

神舟飞船与天宫空间站

天宫空间站是我国自主建设的太空实验室,现绕地球近似做匀速圆周运动。神舟十九号飞船发射升空后,先进入近地圆轨道$\rm I$,再进入椭圆轨道$\rm II$,最终进入目标圆轨道$\rm III$与天宫空间站完成对接。地球与三个轨道的示意图如图所示,飞船与空间站未画出。图中$O$点为地球球心,$a$$b$点为椭圆轨道$\rm II$的长轴端点,到$O$点的距离分别为$r_{1}$$r_{2}$

(多选)飞船的运行情况是$(\qquad)$

["

$a$点由轨道$\\rm I$进入轨道$\\rm II$时要加速

","

$b$点由轨道$\\rm II$进入轨道$\\rm III$时要减速

","

在轨道$\\rm I$上的运行速率大于在轨道$\\rm III$上的运行速率

","

在轨道$\\rm I$上的运行速率小于在轨道$\\rm III$上的运行速率

"]
[["AC"]]

$\rm AB$.根据变轨原理可知,在$a$点由轨道$\rm I$进入轨道$\rm II$时要加速,在$b$点由轨道$\rm II$进入轨道$\rm III$时要加速,故$\rm A$正确,$\rm B$错误;

$\rm CD$.根据万有引力提供向心力有$\dfrac{GMm}{r^{2}}=m\dfrac{v^{2}}{r}$

解得$v=\sqrt{\dfrac{GM}{r}}$

可知,在轨道$\rm I$上的运行速率大于在轨道$\rm III$上的运行速率,故$\rm C$正确,$\rm D$错误;

故选:$\rm AC$

已知万有引力常量为$G$,地球质量为$M$,天宫空间站总质量为$m$,则天宫空间站绕地球运行的周期为                 ,机械能为                 (以无穷远处为零势能面)。

[["$2\\pi\\sqrt{\\dfrac{r_{2}^{3}}{GM}}$","$- \\dfrac{GMm}{2r_{2}}$"]]

根据万有引力提供向心力有$\dfrac{GMm}{r_{2}^{2}}= mr_{2}\dfrac{4\pi^{2}}{T^{2}}$

解得$T=2\pi\sqrt{\dfrac{r_{2}^{3}}{GM}}$

天宫空间站绕地球运行的势能为$E_{\text{p}}=- \dfrac{GMm}{r_{2}}$

根据万有引力提供向心力有$\dfrac{GMm}{r_{2}^{2}}=m\dfrac{v^{2}}{r_{2}}$

动能为$E_{\text{k}}=\dfrac{1}{2}mv^{2}=\dfrac{GMm}{2r_{2}}$

机械能为$E=E_{\text{k}}+E_{\text{p}}=- \dfrac{GMm}{2r_{2}}$

为保持与静置于地面上的钟快慢一致,需对天宫空间站里的钟进行校准。根据狭义相对论,空间站里的钟应调                 ;根据广义相对论,空间站里的钟应调                 (均选涂:$\rm A$.快    $\rm B$.慢)。最终需综合考虑两种相对论的效应进行校准。

[["$\\rm A$","$\\rm B$"]]

空间站相对地球在高速运动,地球上的观察者看空间站的钟是慢的,应调快;

广义相对论是引力对时间的影响,引力势越低的地方,时间流逝越慢,空间站的引力势比地面高,则时间流逝更快,所以从广义相对论角度,应将时钟调慢。

在天宫空间站验证弹性碰撞。如图所示,将直径均为$D$的两个小球$a$$b$静止放在同一直线$PQ$上,光电门垂直于$PQ$、放置在小球$b$的右侧。给小球$a$一个向右的初速度$v_{0}$,使小球$a$$b$正碰。两小球碰撞后,先后经过光电门,依次记录下挡光时间$t_{1}$$t_{2}$

①小球$b$经过光电门的速度大小为                 

②(计算)已知小球$a$$b$的质量关系为$m_{a}=5m_{b}$,则当测得的$t_{1}$$t_{2}$的比值$\dfrac{t_{1}}{t_{2}}$为多大时,即可验证小球$a$$b$的碰撞为弹性碰撞                 

[["$\\dfrac{D}{t_{1}}$","$\\dfrac{2}{5}$"]]

①小球$b$经过光电门的速度大小为$v_{b}=\dfrac{D}{t_{1}}$

②小球$a$经过光电门的速度$v_{a}=\dfrac{D}{t_{2}}$

两球发生弹性碰撞,碰撞过程系统动量守恒、机械能守恒,以向右为正方向,由动量守恒定律得$m_{a}v_{0}=m_{a}v_{a}+m_{b}v_{b}$

由机械能守恒定律得$\dfrac{1}{2}m_{a}{v_{0}}^{2}=\dfrac{1}{2}m_{a}{v_{a}}^{2}+\dfrac{1}{2}m_{b}{v_{b}}^{2}$

解得$v_{a}=\dfrac{2}{3}v_{0}$$v_{b}=\dfrac{5}{3}v_{0}$

$\dfrac{t_{1}}{t_{2}}=\dfrac{2}{5}$

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