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

复兴号动车组列车是我国研制的具有完全自主知识产权、目前世界上运营时速最高的高铁列车。外出旅游的小洛同学坐在一辆沿直轨道高速行驶的列车里。已知列车车窗高度为$L_{1}$,长度为$L_{2}$

站在站台上的观察者小庞同学测量小洛同学乘坐的列车车窗,假设列车车速达到$(\qquad)$(不定项选择)

["

$100\\;\\rm m/s$,小庞同学发现$L_{1}$明显变长

","

$100\\;\\rm m/s$,小庞同学发现$L_{2}$明显变长

","

$2.1 \\times 10^{8}\\;\\rm m/s$,小庞同学发现$L_{1}$明显变短

","

$2.1 \\times 10^{8}\\;\\rm m/s$,小庞同学发现$L_{2}$明显变短

"]
[["D"]]

根据相对论的“尺缩效应”,即$L= L_{0}\sqrt{1-{\left(\dfrac{v}{c}\right)}^{2}}$$L_{0}$为物体的固有长度,$v$为物体运动的速度。可知,当小庞同学的速度接近光速时,在小庞同学看来,车窗长度$L_{2}$明显缩短了,在垂直车的运动方向上$v=0$,所以观察到车窗的高度$L_{1}$无变化;

故选:$\rm D$

如图,小洛同学坐在离车窗距离为$50\;\rm cm$的座位上,观察到与铁轨在同一水平面内且平行于铁轨的公路上,有一辆与列车行驶方向相反的拖拉机从车窗右侧出现到车窗左侧消失,用时约$2\;\rm s$,公路与铁轨间距离为$100\;\rm m$。已知列车匀速行驶的速度大小为$270\;\rm km/h$,车窗长度为$80\;\rm cm$,则拖拉机行驶速度大小约为                 $\;\rm km/h$

[["$19.44$"]]

设小洛同学离车窗距离为$d$,公路与铁轨间距离为$L$,的座位上,车窗长度为$s$,车窗内看到的公路上的距离为$x$,由相似三角形可知$\dfrac{d}{L+d}=\dfrac{s}{x}$

解得$x=\dfrac{s(L+d)}{d}=160.8\;\rm{m}$

列车与拖拉机的相对速度$\Delta v=\dfrac{x}{t}$

$\Delta v=v_{1}+v_{2}$

解得拖拉机的速度$v_{2}=19.44\dfrac{\;\rm{km}}{{h}}$

如图,列车行驶的水平轨道处于竖直向上的匀强磁场中,在列车底部固定一根与导轨垂直放置的导体棒$ab$,在列车匀减速进站的过程中

①导体棒$a$$b$两端的电势$\varphi_{a}$$\varphi_{b}$               

$\rm A$$\varphi_{a} \gt \varphi_{b}$      $\rm B$$\varphi_{a} \lt \varphi_{b}$      $\rm C$$\varphi_{a}=\varphi_{b}$

②列车动能$E_{k}$随运动时间$t$、运动距离$s$变化的关系可能为               。(多选)

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

①列车进站时,根据右手定则可知,产生由$a$$b$的感应电动势,故$b$端电势比较高。

故选:$\rm B$

$\rm ABC$.列车动能$E_\rm {k}$随运动时间$t$变化的图像的斜率$k=\dfrac{\Delta E_{\rm {k}}}{\Delta t}=\dfrac{W_{合}}{\Delta t}=P_{合}=mav$

列车匀减速进站,加速度不变,速度减小,图像的斜率减小,故$\rm AB$错误,$\rm C$正确;

$\rm DEF$.列车动能$E_\rm {k}$随运动距离$s$变化的图像的斜率$k=\dfrac{\Delta E_{\rm {k}}}{\Delta x}=\dfrac{W_{合}}{\Delta x}=- F_{合}=- ma$

列车匀减速进站,加速度不变,图像的斜率不变,故$\rm D$正确,$\rm EF$错误。

故选:$\rm CD$

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