对一道狭义相对论问题的思考.doc

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对一道狭义相对论问题的思考

对一道狭义相对论问题的思考 摘要:粤教版高中物理必修二最后一章涉及了狭义相对论初步知识,对于这部分知识,课程标准要求不高,但笔者在执教的过程中经常被个别学生提出的问题所困扰,相信不少中学物理教师都受到过同样的困扰。物理教师不能把能力停留在教材要求的层次,应该提得更高。本文以某一个问题为线索,通过查阅资料,深入思考,在解决问题的同时,对狭义相对论几个基本结论提出了新的认识,希望本文能给其他有同样困惑的物理同行一点启发。 关键字:狭义相对论 佯谬 问题 一、问题背景 粤教版高中物理必修二第五章第二节内容为《经典时空观与相对论时空观》,在相对论时空观部分,教材首先给出了狭义相对论两条基本假设,即:在不同的惯性系中,一切物理规律都是相同的;不管在哪个惯性系中,测得的真空中的光速都相同。如图(1)所示的装置,车厢中间顶部O挂着一盏灯,前后门都是光控门,当光传输到门时门会自动打开。利用如图(1)所示的装置,在两条基本假设的基础上,用学生熟悉的知识推导出:当灯发出光时,车厢内的观测者小明看到两扇门同时打开,而地面上的观测者小芳看到一扇门先打开,另一扇门后打开,狭义相对论第一条结论产生:“同时”的相对性。教材紧接着给出另外三条结论:运动的时钟变慢;运动的尺子缩短;物体的质量随速度的增加而增大。对后面三条结论,没有证明。这四条结论对学生的思维都是冲击,学生会觉得很不可思议,有种科幻的感觉,思维较好的学生会提出一些问题。 二、问题引入 如图(2)所示,甲乙两飞船形状一样,甲飞船静止,乙飞船以某一速度V(接近光速)飞过甲飞船,当乙飞船上的观测者看到乙飞船头部与甲飞船头部对齐时,立即在乙船尾部向甲发射激 光炮,两船距离非常近,问甲飞船 能否被击中? 三、问题分析 (一)佯谬产生 若观测者在甲飞船上,甲飞船静止,乙飞船在高速运动,根据狭义相对论的结论“运动的尺子在运动方向上会缩短”,甲飞船上的观测者会看到的情形如图(3)所示,由于两船非常接近,可不计激光传播的时间,则激光炮一定能够击中甲飞船。 若观测者在乙飞船上,根据运动的相对性,可认为乙飞船静止,而甲飞船在高速运动,根据狭义相对论的结论不难知道,乙飞船上的观测者会看到的情形如图(4)所示,则激光炮不能击中甲飞船。 到底甲飞船会不会被击中?如果说甲飞船能否被击中这个事件与参考系的选择有关,这显然难以令人信服,也不是狭义相对论的结论。那到底是怎样,难道狭义相对论的结论是错的? (二)“同时”的定义 要解决以上问题,先要给“同时”下一个定义。有人认为,看见两个事件是同时发生的就是“同时”,其实不然。所谓看见两个事件是指两个事件发生时,产生的光信号传到人的眼睛。考虑到光传播也需要时间,这就意味着站在同一参考系中的不同位置,两个事件的光信号传到人眼的时间差也不一样,本来同时发生的两个事件,因为观测者所站的位置关系,导致两束光信号传到人眼不同时。实际上,狭义相对论“同时”的相对性是指两个事件是否同时发生,与参考系有关,而与参考系中的不同位置无关。怎样才叫“同时”呢?在光速不变原理的基础上,如图(5)所示,A、B两激光源同时发出两束光,若两束光同时到达A、B连线的“中点”C处的检光仪,则检光仪所处的参考系中测得两个事件是同时的,若接收到两束光有时间差,则两个事件不同时。在同时的定义中,强调在两个事件的“中点”位置检测。例如:检光仪处在的参考系与A、B保持相对静止,则A、B两事件是同时的,若参考系相对A、B向右运动,则检光仪先接收到B的光,B事件先发生,A事件后发生,若参考系相对A、B向左运动,A事件先发生,B事件后发生,说明了“同时”与参考系的选择有关。 (三)运动的时钟会变慢 运动的时钟会变慢是指:在运动的参考系中观察一个事件持续的时间,比在静止的参考系内观察同一事件持续的时间要长。如图(6)所示,一束光从高为H的车厢底部发射,经过车厢顶部的镜面反射,最后光回到发射处。以车厢为参考系观察这个事件,不管车厢是否运动,参考系都是相对静止的,设光速为c,不难求出,这个事件持续的时间。 现让车厢以速度V向右运动,以地面为参考系,光传播的情况如图(7)所示,设光传播的总时间为,在时间内车厢向右运动的距离为,根据光速不变原理,光从车厢底部到顶部的过程,存在以下几个关系:,结合可解得: 所以,,即: 从和的关系可知,即运动的时钟会变慢。 (四)运动的尺子在运动方向上会缩短 光速不变原理还会带来空间长度的相对性问题。那就是说,同一物体的长度,在不同的参考系内测量,会得到不同的结果。在某个参考系内,一个静止物体的长度可以由一个静止的观测者用尺去量;但要测量一个运动物体的长度就不能用这样的办法了。让物体停下来量吗?不行,因为这样量得的是静止物体的长度;追上去量吗?也不行,因为这样量出来的是在与物体一起运动的那

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