边长为a 的正方形薄板静止于惯性系K的xoy平面内,且两边分别与x、y轴平行,今有惯性系K'以0.8c(c为真空中光速)的速度相对于K系沿x轴作匀速直线运动,则从K'系测得薄板的面积为[]A. a^2B. 0.6a^2C. 0.8a^2D. (a^2)/0.6
A. a^2
B. 0.6a^2
C. 0.8a^2
D. (a^2)/0.6
题目解答
答案
解析
本题考查狭义相对论中的长度收缩效应。解题思路是先明确在相对运动方向上长度会发生收缩,而垂直于运动方向上长度不变,然后分别计算出在$K'$系中薄板在$x$轴和$y$轴方向上的边长,最后根据面积公式计算出薄板的面积。
步骤一:分析长度收缩效应
根据狭义相对论,当一个物体相对于观察者以速度$v$沿某一方向运动时,在该运动方向上物体的长度会发生收缩,其收缩公式为$L = L_0\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}$,其中$L_0$是物体在相对静止系中的长度,$L$是物体在相对运动系中的长度,$v$是两个惯性系之间的相对速度,$c$是真空中的光速。而垂直于运动方向上的长度不会发生变化。
步骤二:计算$K'$系中薄板在$x$轴方向上的边长
已知惯性系$K'$以$v = 0.8c$的速度相对于$K$系沿$x$轴作匀速直线运动,薄板在$K$系中沿$x$轴方向的边长为$L_{0x}=a$。
将$L_{0x}=a$,$v = 0.8c$代入长度收缩公式$L_x = L_{0x}\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}$,可得:
$\begin{align*}L_x&=a\sqrt{1 - \frac{(0.8c)^2}{c^2}}\\&=a\sqrt{1 - 0.64}\\&=a\sqrt{0.36}\\&= 0.6a\end{align*}$
步骤三:确定$K'$系中薄板在$y$轴方向上的边长
由于$K'$系相对于$K$系的运动方向是$x$轴方向,垂直于$y$轴方向,所以薄板在$y$轴方向上的长度不会发生变化,即$L_y = L_{0y}=a$。
步骤四:计算$K'$系中薄板的面积
根据矩形面积公式$S = L_x\times L_y$,将$L_x = 0.6a$,$L_y = a$代入可得:
$S = 0.6a\times a = 0.6a^2$