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

行星在椭圆轨道绕日运行,卫星在椭圆轨道绕地运动,生活中也有类似的椭圆轨道运动,有时可将其视作圆周运动进行研究。

若将太阳系行星轨道近似视作圆,轨道平均半径为$R$和绕日公转周期为$T$,下列关于常用对数$lgR$$lgT$的关系图像正确的是$(\qquad)$

["

","

","

","

"]
[["B"]]

根据开普勒第三定律有$\dfrac{a^{3}}{T^{2}}=k$

变形得$R^{3}=kT^{2}$

对两边取对数可得$3lg R=2lg T+lg k$

解得$lg R=\dfrac{2}{3}lg T+\dfrac{1}{3}lg k$

故选:$\rm B$

卫星绕地球运行的椭圆轨道如图,$a$$b$$c$$d$为轨道上四点,$b$$a$$d$的中间位置,$c$$b$$d$的中间位置。则卫星$(\qquad)$

["

$a$的速度等于在$d$的速度

","

$b$运动到$c$的时间等于从$c$运动到$d$的时间

","

$c$运动到$d$的过程,引力做负功

","

$b$运动到$c$的过程,引力势能减小

"]
[["D"]]

$\rm A$.根据开普勒第二定律可知,卫星在$a$点的速度最小,在$d$点的速度最大,即卫星在$a$的速度小于卫星在$d$的速度,故$\rm A$错误;

$\rm B$.卫星从$b$$d$,运行速度越来越大,故从$b$运动到$c$的时间大于从$c$运动到$d$的时间,故$\rm B$错误;

$\rm C$.卫星从$c$运动到$d$的过程,运行速度越来越大,动能增加,故引力做正功,故$\rm C$错误;

$\rm D$.卫星从$b$运动到$c$的过程,,运行速度越来越大,动能增加,引力做正功,故引力势能减小,故$\rm D$正确。

故选:$\rm D$

用国际单位制中的基本单位表示万有引力常量$G$的单位,为                 

[["$\\rm m^{3}·kg^{-1}·s^{-2}$"]]

根据万有引力定律$F= G\dfrac{m_{1}m_{2}}{r^{2}}$

变形得$G=\dfrac{Fr^{2}}{m_{1}m_{2}}$

可知用国际单位制中的基本单位表示万有引力常量$G$的单位为$\rm \dfrac{N \cdot m^{2}}{(kg)^{2}}=\dfrac{kg \cdot \text{m}/\text{s}^{2} \cdot m^{2}}{(kg)^{2}}=\rm \dfrac{m^{3}}{kg \cdot s^{2}}=m^{3} \cdot {kg}^{- 1} \cdot s^{- 2}$

北斗卫星绕地球做高速椭圆轨道运动,只考虑地球引力场的广义相对论效应,星载原子钟比地面接收钟走时更                 。(选涂“$\rm A$.快”或“  $\rm B$.慢”)

[["$\\rm A$"]]

根据广义相对论,地面的引力场强于卫星所处位置的引力场,所以卫星里的时钟要比静止在地面的时钟走得快。

故选:$\rm A$

如图($a$),场地自行车的赛车场为椭圆盆形,图($b$)是将最内侧弯道视作坡度为$30^\circ$斜坡的简化图。某时刻运动员在最内侧弯道的骑行速度为$20\;\rm m/s$,转弯半径为$54\;\rm m$,运动员和自行车整体$(\qquad)$

["

向心力方向沿水平方向

","

沿坡道方向不受静摩擦力

","

受到沿坡道向上的静摩擦力

","

受到沿坡道向下的静摩擦力

"]
[["AD"]]

某时刻运动员在最内侧弯道的骑行时恰好不受摩擦力作用,对运动员和自行车整体受力分析,如图所示

则有$m\dfrac{v_{0}^{2}}{r}=mg\tan 30^{{^\circ}}=\dfrac{\sqrt{3}}{3}mg$

而此时骑行速度为$v=20\;\rm m/s$,则向心力为$F=m\dfrac{v^{2}}{r}=\dfrac{20}{27}mg \gt m\dfrac{v_{0}^{2}}{r}=\dfrac{\sqrt{3}}{3}mg$

故运动员和自行车整体受到沿坡道向下的静摩擦力,且向心力方向沿水平方向。

故选:$\rm AD$

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