高中物理强基计划特训-第13部分-相对论

高中物理强基计划-第13部分-相对论 绝对的、真实的和数学的时间，尤其特性决定，自身均 匀地流逝，与一切外在事物无关。 绝对空间，其自身特性与一切外在事物无关，处处均匀， 永不移动。 —— 《自然哲学之数学原理》牛顿 空间本身和时间本身将消失在完全的阴影中，只有它们 之间的某种结合才将得以生存。 —— 闵可夫斯基 19世纪中叶，麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁理论，即麦克斯韦 电磁场方程组。麦克斯韦电磁理论不但能够解释当时已知的电磁现象，而且预言了电磁波的存在，确 认光是波长较短的电磁波，电磁波在真空中的传播速度为一常数c=3.0×10°m/s,并很快为实验所证实。 从麦氏方程组中解出的光在真空中的传播速度与光源的速度无关。如果光波也和声波一样，是靠 一种媒质(以太)传播的，那么光速相对于绝对静止的以太就应该是不变的。科学家们为了寻找以太 做了大量的实验，其中以美国物理学家迈克耳孙和莫雷实验最为著名。这个实验不但没能证明以太的 存在，相反却宣判了以太学说的死刑，证明光速相对于地球是各向同性的。但是这却与经典的运动学 理论相矛盾。 为了调和理论与实验的矛盾，爱因斯坦分析了物理学的发展，特别是电磁理论，摆脱了绝对时空 观的束缚提出了“狭义相对论”。 1、狭义相对论的基本原理 1. 狭义相对论的两条基本原理 (1)相对性原理： 所有惯性系都是平权的。在不同惯性参考系中， 一切物理规律都是相同的。即不 能通过任何物理实验判断出所处惯性参考系的“绝对运动”。 (2) 光速不变原理： 真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的 (c=3×10°m/s), 与光源、观 察者的运动无关。 2. 异地同时性破坏 这两条原理的贯彻，特别是"光速不变原理",对于我们看待时间、空间的看法有着革命性的影响。 我们先来看一个例子： 397 学科网（北京）股份有限公司 例如在某个站台的两端A、B 设置管信号的发射器，我们希望它们同时闪光，可以预先用尺量 出站台的中点C, 并在C 点设置接收器。如果C 点的接收器同时接收到A、B 发来的光信号(同一 位置的同时性是很容易确定的),由于C 到A、B 的距离相同，光速又相同，我们就可以断言A、B 同时发出了光信号 如果恰好有一列火车它的车头和车尾分别记为A '和B’。 列车沿着B→A 方向驶来。为了确定 A'A 点重合与B’B点重合是否同时发生，我们可以在列车上设置机关，使A '与A、B '与B 相遇时 分别发出闪光。只要闪光同时到达C, 就可以确认两个相遇事件同时发生。 这种检验异地同时性的方法对所有惯性系都是成立的。在列车上的观察者也会主张只有上述的 光信号同时到达列车的中点C', 两次相遇才是同时的。可是由于列车的中点C'向着A 行驶，所以 它将先接收到来自A'A 的闪光。在地面上观察这是很正常的，因为光从A 遇到C '所运行的距离小 于光从B 追上C'所运行的距离，光速又相同，所以C '自然先收到来自A'A 的闪光。然而车上的观 察者认为两边闪光运行的距离相同，光速也相同， C '先收到来自A'A 的闪光的唯一解释只能是 A'A 的相遇事件发生在前。这就是说在列车上观察两次相遇不是同时发生的， A '与A 先相遇然后 B'与B 相遇! 上面这个例子说明在不同的参照系中人们对时间的描述也是不同的。在一个参照系里看来同时发生 的事件在别的参照系里看来就变成不同时发生的了。时刻、时间的概念不再是脱离参照系独立存在 的了。我们常说的：①“A 与 B 相遇的瞬间(时刻)",②“A 与 B 相遇到A 与C 相遇的过程中(时 间)”都变得不再有意义。因为它们没有提及所依照的参考系是什么。 2. 事件 为了精确地描述问题，我们把质点的运动拆解成一连串的 “事件 ”。一个事件指某一时刻在空间某 一位置发生了一件事。在某参考系中， 一个事件对应着一个位置坐标和一个时刻坐标。 在另外的参 照系看来同一事件可能发生在不同的位置或时刻。所以定量表示事件必须说明相对哪个参考系。 (1)过程 一段过程由它的起始事件和结束事件来定义，例如“A 与 B 相遇到A 与 C 相遇”的过程，被划 分为一连串事件。第一个事件是“A 与B 相遇”,最后一个事件是“A 与 C 相遇”。 (2)时间 在某个参考系中观察，末事件的时刻减去初事件的时刻，就是此参考系中这两个事件间的时间。 (3)距离 两事件间的距离：在某个参考系中观察，两个事件位置差的绝对值，就是此参考系中这两个事 件间的距离。 两质点间的距离：两个质点a 、b 对应着两个系列的事件。在某个参照系中观察， 同一时刻质点 a 对应事件的位置与质点b 对应事件的位置差的绝对值，就是在此时刻该参考系中a 、 b 两质点 间的距离。 398 学科网（北京）股份有限公司