狭义相对论教学问题.docx

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1、狭义相对论教学问题（物理老师杂志）2014年第六期1超光速问题光速是宇宙中最快的速度，是狭义相对论的基本信条超光速是人们一直想找到的现象，资料显示：在天文观测方面，已观测到多个超光速射电源类星体，它们的膨胀速度一般都到达光速的数倍甚至几十倍，例如类星体中两个子源的分离速度超过倍从数据上看似已经找到了超光速，但这并不是狭义相对论所定义的速度，狭义相对论所谓的速度必须是对实物粒子进行当时当地测量而得的，由于不同时不同地测得的速度、时间等概念已经没有意义速度有很多种，比方拿着一只激光笔射向远方的一堵墙，然后转动激光笔，那么墙上的光斑就会迅速地移动，假如距离足够远的话，光斑的移动速度就能够超过光速，但

2、这样的速度显然不是我们想要的速度，由于狭义相对论要求的速度必须能携带信息，比方光或任何实物粒子都能够携带信息，但光斑的移动以及射电源星体的分离速度是不能传递信息的，它只是一种概念上的速度2运动的相对性及参考系的平权问题运动的相对性在中学参考系一节中就讲到，人们普遍以为根据运动的相对性，加速运动也是相对的，实际上加速运动并不是相对的，由于一个真正做加速运动的物体必须遭到一个力源的作用，它并不是不可区分的比方在两观者的身上各放一个弹簧振子，通过观察对方的弹簧振子有没有发生形变就可判定谁在做真正的加速运动，加速运动的不可相对性是理解双生子效应的关键其次，狭义相对性原理讲一切惯性系平权，即物理规律在惯

3、性系中都是一样的，讲明狭义相对论只成认惯性系之间是无法区分的，而广义相对论却以为所有参考系都一样，因而很多人会以为这两个理论是矛盾的，必然有一个不对，其实这并不矛盾，由于两套理论所研究的对象与时空背景不同狭义相对论研究的是无引力的平直时空广义相对论研究的是有引力的弯曲时空，广义相对论以为所有参考系平权是基于引力质量等于惯性质量，即引力所产生的效果与加速运动所产生的效果无法区分比方加速运动电梯里的人并不能分辨本身的重力来自于加速运动还是引力作用，于是非惯性系就失去了特殊性，但要注意的是这种相等也仅仅是指物理规律的表达形式一致，而且是局域的等效，并不是讲引力与加速的物理本质一样由于引力场是有源场，

4、是会聚的，而“加速场是平行的，它们在全空间内不可能等效而在狭义相对论里是没有引力的，没有引力，自然不涉及引力效果与加速效果无法区分的问题，自然以为非惯性系与惯性系是不平权的了3光阴倒流问题光阴倒流问题是狭义相对论出现后，人们对于时空幻想最多的问题，由于光阴倒流能够引发很多很奇特的事情，那么到底会不会发生光阴倒流呢？很多人以为是能够的，由于同时的相对性告诉我们一件事发生的先后顺序是相对的比方举手和举手这一事件，在不同的观者看来它发生的先后顺序能够不一样，能够是先举手，可以以是先举手，然而并不是这样的仔细一想会发现举手和举手是没有因果关系的，即举手与举手没有任何联络，互不影响，这样的时间顺序当然是

5、能够颠倒的一旦有因果联络的两事件先后顺序就不可能颠倒，比方是的母亲，那么的存在就与有了因果联络，一旦出现光阴倒流就会出现回到过去将其母亲杀死而到底存不存在的问题，显然这样的事件是科学家无法接受的其实还能够从熵增加原理的角度来看待光阴倒流问题，即封闭系统的熵混乱程度总是在不断地增大，就好比用挡板把气体和气体隔开，然后抽取挡板，随着时间的流逝与气体必然会混为一团，而且时间越长会越混乱，然而时间倒流就意味着与气体会自然地回到最初的状态，这显然不可能再比方一座建筑物被风化后其损失的泥土分子已经散失在各个地方，并构成新的泥土被建成了另一座建筑物，依次循环，原来建筑物的泥土分子混乱度越来越大，时间倒流就意

6、味着这些泥土分子又能自发回到原来的状态，这是不可能的熵其实就是时间的方向，熵增加的经过就是时间流逝的经过，熵增加原理的成立就意味着时间的不可倒流还有人以为只要速度到达光速就可实现光阴倒流，然而到达光速需要的能量是无穷大，可惜宇宙所拥有的能量是有限的，故也不可能4测量与观看问题狭义相对论里全都是测量问题，而且是对事件的当时当地测量，因而动尺收缩、动钟变慢效应等都是测量而造成的，很多人容易理解成是观看造成的，测量则不会发生这些效应，其实正是由于测量才会产生这种现象首先看动钟变慢效应，如图所示，要想做到当时当地测量，就必须在参考系中充满观者，这些观者拿着事先校准好的钟且只对经过本人身边的事件进行测量

7、设在系事件发生于，时，系为，此时校准好两钟的时间使。5动钟变慢与动尺收缩效应动钟变慢与动尺收缩效应既是一种测量效应，同时又是一种相对效应，即一定要讲清楚是相对于谁而言的假如甲相对于乙做高速运动，那么在乙看来，甲钟是变慢的或甲尺是收缩的，反过来，在甲看来，是乙相对于甲做高速运动，则乙钟是变慢的或乙尺是收缩的它并不是由于钟或尺的内部构造发生变化而引起的值得注意的是，之所以是相对的效应是由于两者做的都是惯性运动，处于平权对等地位，所以没有任何一方是特殊的对于动钟变慢与动尺收缩效应，大家最爱问的一个问题是：到底谁变慢或谁变短？这样的问法首先就是不对的，由于他们都是在各自的参考系下测得的结果，不能放在一

8、起比拟，比拟两物理量一定要在同一参考系下进行6双生子效应双生子效应是问题最多争议最多的话题，主要表如今下面几个方面“钟慢效应的结论是双方平等的，甲钟以为乙钟慢，乙钟以为甲钟慢，为什么双生子效应的结论却是不平等的？狭义相对性原理以为一切惯性参考系都是平权的“钟慢效应由于做的都是惯性运动，自然双方是平等的，双生子效应中有一方做的是非惯性运动，正是这种不平等的关系导致了结果的不同加速是相对的，为什么结论是乙更年轻？加速有真加速和假加速三维和四维之分，前者是相对的，后者是绝对的与观者、参考系、坐标系的选择无关，在三维语言里，通常的加速是指相对于惯性系的加速，当把加速运动理解为非惯性运动时指的就是这种绝

9、对的加速运动，真正的加速运动必然要遭到力的作用双生子效应涉及加速运动，应属于广义相对论范畴，狭义相对论讲不清楚？研究问题前一定要分清界线，区分广义与狭义的界线在于时空背景，狭义相对论的时空背景是平直的空间闵可夫斯基时空，而广义相对论的时空背景是弯曲空间不知道整个经过是什么样的，即如何变年轻的？解决此问题最好用时空图，在时空图里物体所经历的世界限长度就是它的时间，直接比拟世界限长度即可最后值得注意的是即便乙比甲年轻，但乙并不会感到本人的时间变多了，他感觉与在地球上时是一样的，之所以比甲年轻，只因两者处于不同的运动状态，两者的时间已经不再同步了7质能方程质能方程带来的最多的问题就是关于质量转化为能

10、量以及质量守恒的问题首先并不是讲质量能够转化为能量，质量不能转化为能量，核反响中释放出来的是核子之间的结合能，不是质量转化来的，它本身就存在于原子核中，此公式只是等量计算式质量和能量是两个不同属性的物理量，反映的是物质不同的属性，能量是反映物体对外做功本领的量度，而质量是反映物体惯性大小和引力强弱的物理量在核反响中，质量是守恒的，能量也是守恒的，但却不能讲质量转化为能量其次，核反响中静质量是不守恒的，正是静质量的不守恒，才讲明核反响中质量是守恒的，由于能量释放后动质量增加了，质量要守恒就必需要求静质量消失一部分，因而我们能够讲核反响中，静质量转化为了动质量，储藏于核子间的核能转化为了光能和动能

11、8电与磁的相对性在大多数人眼中，电就是电，磁就是磁，它们是完全不同的东西，而且不因参考系而变实际上电和磁是统一的整体，即电磁场，所谓的电和磁是观者在不同参考系下测得的结果中学物理其实已经接触过很多电与磁相对性的问题了，只不过没引起我们的注意比方电磁感应现象，即变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，可是变化是什么意思呢，它不就与观者有关了吗？假设一个观者相对于变化的电场是静止的，他就看不到电场在变，自然也就看不到变化电场所产生的磁场再比方，由一个静止电荷激发的电场叫静电场，可是假若有观者相对于它运动，观者所看到的电荷就是运动的，就像导线中运动的电荷一样，因而它的周围应该会有磁场，这些例子都能讲明电与磁的相对性电与磁统称为电磁场，作为电磁场它是唯一的，至于你看到的是只要电场或只要磁场或者两者都有就完全取决你相对于这个电磁场的观测方式。