高中 | 狭义相对论 题目答案及解析

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选修3-4

第十五章 相对论简介

15.3 狭义相对论的其他结论

狭义相对论

日月之行,若出其中;星汉灿烂,若出其里。浩瀚宇宙中蕴含着各种物理规律。

如图,一束太阳光自矩形玻璃砖上表面$O$点射入玻璃砖内,光经玻璃砖折射后照射在玻璃砖下表面$ab$区域,再从玻璃砖下表面射出(图中未画出)。已知频率越大的光在玻璃中的传播速度越小。

①从玻璃砖下表面$a$点射出的光               

$\rm A$.为红光      $\rm B$.为紫光      $\rm C$.与$b$点射出的光平行      $\rm D$.与入射的太阳光平行

②在太阳光入射到$O$点的传播路径上放一块偏振片,从玻璃砖下表面射出的光的亮度               

$\rm A$.变暗      $\rm B$.变亮      $\rm C$.不变

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

$\rm AB$.太阳光为复色光,在玻璃中,紫光频率比红光大 ,由 “频率越大的光在玻璃中的传播速度越小”,根据$n= \dfrac{c}{v}$可知紫光在玻璃中的折射率比红光大。根据折射定律,在入射角相同情况下,紫光折射角小,更靠近法线,所以从$a$点射出的不是红光,是紫光,故$\rm A$错误,$\rm B$正确;

$\rm CD$.根据光的折射规律,光线通过平行玻璃砖时, 经过两次折射,出射光线与入射光线平行,所以从玻璃砖下表面射出的光与入射的太阳光平行,故$\rm C$错误,$\rm D$正确;

故选:$\rm BD$

偏振片可以只让沿某一方向振动的光通过 ,太阳光为自然光,向各个方向振动的光的强度都相同。在太阳光入射路径上放偏振片,会过滤掉部分振动方向的光,通过偏振片后的光强度减弱,再经过玻璃砖折射后射出的光亮度也会变暗;

故选:$\rm A$

通过对宇宙的观测和研究,我们发现$(\qquad)$

["

光在真空中一定沿直线传播

","

在不同的惯性参考系中,物理规律的形式不同

","

在密闭的太空飞行器中不能判断飞行器是否加速

","

因宇宙膨胀,我们观测到遥远星系发出的光的频率减小

"]
[["D"]]

$\rm A$.光在真空中只有在均匀介质中才沿直线传播,当存在引力场等情况时,光线会发生弯曲 ,比如在强引力场附近,光会因时空弯曲而不沿直线传播,故$\rm A$错误;

$\rm B$.根据狭义相对论的相对性原理,在不同的惯性参考系中,物理规律的形式是相同的,这是狭义相对论的基本假设之一,故$\rm B$错误;

$\rm C$.在密闭的太空飞行器中,可以通过一些实验,比如利用加速度计等仪器来判断飞行器是否加速,故$\rm C$错误;

$\rm D$.由于宇宙膨胀,遥远星系远离我们,根据多普勒效应,会出现红移现象,即我们观测到遥远星系发出的光的频率减小,波长变长,故$\rm D$正确;

故选:$\rm D$

如图,当月球恰好完全挡住太阳射向地球的光,地球上的观察者就观察到日全食现象。已知太阳直径约为月球直径的$400$倍,光从太阳到地球用时约为$499$秒。则光从月球到地球用时约为                 $\;\rm s$(结果保留三位有效数字)。若太阳的质量约为地球质量的$n$倍,则地球绕太阳公转速度约为月球绕地球公转速度的                 倍;

[["$1.25$","$\\dfrac{\\sqrt{n}}{20}$"]]

根据相似三角形可知,太阳直径、月球直径的比值等于太阳、地球距离与月球、地球距离,光在真空速度相同,故有$\dfrac{t_{太地}}{t_{月地}}=\dfrac{400}{1}= \dfrac{499}{t_{月地}}$,解得$t_{月地}=1.25\;\rm s$

根据$\dfrac{GMm}{r^{2}}=m\dfrac{v^{2}}{r}$,解得$v=\sqrt{\dfrac{GM}{r}}$,因为$\dfrac{r_{太地}}{r_{月地}}=\dfrac{400}{1}$$M_{太}=nM_{地}$,联立解得$\dfrac{v_{太地}}{v_{月地}}=\dfrac{\sqrt{n}}{20}$

科学家发现某恒星发出某一固定频率的光。如图所示,将这种频率的光通过窗口$C$入射到抽成真空的容器内的金属板$K$上。已知电子电荷量为$e$,普朗克常量为$h$,金属板材料的截止频率为$v_{0}$

①为测量饱和光电流

$i.$将单刀双掷开关$\rm S$置于             

$\rm A$.位置$1$      $\rm B$.位置$2$

$ii.$移动滑动变阻器的滑片,当光电流达到最大值时电流表的示数为$I_{m}$,可估算单位时间内到达$A$板的电子数约为                 

②将单刀双掷开关$\rm S$置于另一位置来测量光的频率。

$i.$移动滑动变阻器的滑片,使                 ,此时另一个电表的示数为$X$

$ii.$光的频率表达式为                 

[["$\\rm B$","$\\dfrac{I_{\\rm {m}}}{e}$","电流表示数为$0$","$\\dfrac{eX}{h}+v_{c}$"]]

要测量饱和光电流,需在光电管两端加正向电压,使光电子能顺利从$K$板到达$A$板 。当单刀双掷开关$\rm S$置于位置$2$ 时,电源给光电管加正向电压,能使光电流达到饱和;

故选:$\rm B$

单位时间内到达$A$板的电子数所带电荷量即为电流值,即有$I_{\rm m}=Ne$

单位时间内到达$A$板的电子数约为$N=\dfrac{I_{\rm {m}}}{e}$

将单刀双掷开关$\rm S$置于位置$1$时,光电管加反向电压。当移动滑动变阻器滑片,使反向电压增大到某一值时,具有最大初动能的光电子也恰好不能到达$A$板,此时光电流为零(即电流表示数为$0$),这个反向电压就是遏止电压 。

根据光电效应方程$E_{\rm km}=h\nu − W_{0}$

因为$E_{\rm km}=eU_{c}=eX$$W_{0}=hv_{c}$

联立解得光的频率表达式$v=\dfrac{eX}{h}+v_{c}$

宇宙射线携带的$a$$b$两种粒子穿过云室,在磁感应强度大小为$B$的匀强磁场作用下得到如图的圆形径迹照片,磁场方向与粒子运动轨迹的平面垂直。经观测可知,

$a$粒子在磁场中逆时针做圆周运动,$b$粒子在磁场中顺时针做圆周运动。             

$\rm A$$a$$b$粒子都带正电          $\rm B$$a$$b$粒子都带负电

$\rm C$$a$粒子带正电,$b$粒子带负电      $\rm D$$a$粒子带负电,$b$粒子带正电

$a$$b$两种粒子做圆周运动的半径关系为:$R_{a} \gt R_{b}$,周期关系为:$T_{a} \lt T_{b}$,分析说明$a$$b$粒子的比荷关系为:$\dfrac{q_{a}}{m_{a}} \gt \dfrac{q_{b}}{m_{b}}$                 

[["$\\rm D$","见解析"]]

根据题意,$a$粒子在磁场中逆时针做圆周运动,左手定则可知$a$粒子带负电;$b$粒子在磁场中顺时针做圆周运动,左手定则可知$b$粒子带正电,

故选:$\rm D$

带电粒子在磁场中仅受磁场力而做匀速圆周运动,圆周运动周期$T=\dfrac{2\pi m}{qB}$

题意知$T_{a} \lt T_{b}$,则有$\dfrac{2\pi m_{a}}{q_{a}B} \lt \dfrac{2\pi m_{b}}{q_{b}B}$

整理得$\dfrac{q_{a}}{m_{a}} \gt \dfrac{q_{b}}{m_{b}}$

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