对狭义相对论中几个问题的思考.ppt

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1、对狭义相对论中几个问题的思考 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望今年被定为物理年，为了纪念爱因斯坦相对论100周年。十九世纪末期是物理学的变革时期，爱因斯坦从实验事实出发，从新考查了物理学的基本概念，在理论上作出了根本性的突破。提出了光电效应，狭义相对论，广义相对论。这个学期我学习了狭义相对论，感到狭义相对论的难不在于他的公式推导难，也不同于经典牛顿力学复杂的受力分析，而是在于狭义相对论在解释某些问题时得到的结果似是而非，这些结果如此不寻常，以至到达了

2、与“正当想法”想抵触的地步。学习了狭义相对论关键在于哪？在于对其典型问题的理解！狭义相对论的两个基本假设：1，相对性原理：所有惯性系都是平权的，在他们之中所有物理规律都一样。2，光速不变性原理：在所有的惯性系中测量的真空中的光速都是一样的。洛仑兹变换洛仑兹变换逆变换逆变换正正变变换换钟慢效应：钟慢效应：尺缩效应：尺缩效应：有了前面的知识准备，我们来讨论几个问题。有了前面的知识准备，我们来讨论几个问题。问题一：问题一：时钟佯谬（孪生子佯谬）时钟佯谬（孪生子佯谬）有一双胞胎，哥哥乘飞船从地球出发作时空旅行，有一双胞胎，哥哥乘飞船从地球出发作时空旅行，走一段路程后返回地球，在地球上的弟弟看来，走一段

3、路程后返回地球，在地球上的弟弟看来，由于飞船作高速运动，时间变慢，所以哥哥应比由于飞船作高速运动，时间变慢，所以哥哥应比自己年轻，而飞船上的哥哥看来，地球好象也作自己年轻，而飞船上的哥哥看来，地球好象也作同样的运动，所以弟弟也应比自己年轻。但结果同样的运动，所以弟弟也应比自己年轻。但结果只有一个，到底谁对呢？只有一个，到底谁对呢？我们来较为详细的讨我们来较为详细的讨论以下这个问题论以下这个问题 假定两个孪生子中假定两个孪生子中的一个再宇宙飞船中的一个再宇宙飞船中以速度以速度v v，按照飞船上，按照飞船上的钟（本征时间）旅的钟（本征时间）旅行时间行时间 ,则按地球时则按地球时钟的时间为钟的时间为

4、t t因此，如果宇航员再出发时是30岁，那么他返回时是35岁，而他的留在地球的兄弟却是80岁！但是！我们立刻能想到一个问题：为什么不反过来呢？要知道一切运动是相对的，宇航员可能认为飞船不动，地球朝相反的方向运动，这样看，宇航员比地球人老多了！天大的荒谬！天大的荒谬！应该如何理解呢？应该如何理解呢？这个佯谬可以这样解释：这个佯谬可以这样解释：地球与宇宙飞船不是等价地球与宇宙飞船不是等价的：地球是惯性系，而飞的：地球是惯性系，而飞船不是，因为飞船有加速船不是，因为飞船有加速度，出发时，拐弯时，降度，出发时，拐弯时，降落到地球时，都有加速度。落到地球时，都有加速度。如同相对论的其他公式一如同相对论的

5、其他公式一样，样，钟慢效应只对惯性系钟慢效应只对惯性系钟慢效应只对惯性系钟慢效应只对惯性系成立。所以断言飞船的时成立。所以断言飞船的时成立。所以断言飞船的时成立。所以断言飞船的时间变慢的观察者是正确的间变慢的观察者是正确的间变慢的观察者是正确的间变慢的观察者是正确的宇航员没有资格用这个公宇航员没有资格用这个公宇航员没有资格用这个公宇航员没有资格用这个公式式式式钟慢效应：钟慢效应：问题二：长度收缩假定一宇宙飞船以速度v从地球向火星做匀速直线运动，按照飞船上的钟（本征时间），等于 ，按照地球上的钟飞行时间为t，为直观起见，假定从地球到火星以直线相连，其长度显然等于从地球到火星的距离。根据尺缩效应：

6、尺缩效应：尺缩效应：尺缩效应：易得相对于观察者运动的物体总是小于相对于观察静止的物体的长度。则此事便有一问题：是宇航员主观感觉好像绳子变短了，还是实际上绳子真的变短了？可以这样理解设一宇宙飞船以v=0.9999999999995c的速度从地球飞向仙女星座，离仙女星座的距离约为2000000光年，既然飞船差不多以光速飞行，从地球上的钟来算，为200000年。正如按公式来算，按飞船的钟为两年。速度小于光速的宇宙飞船究竟是如何用两年的时间飞过2000000年这么如此大 的距离？这一点可以这么解释:对于宇航员来说，距离缩短了，从而仙女星座只有原来的1/1000000那么远了因此，长度的相对性缩短不是表

7、观上的，而是实在的效应。那么运动物体的真正长度是怎样的呢？这样的问题没有意义。真正长度不存在，正如真正的速度不存在一样。物体的长度与速度一样，是相对的量，他与参考系有关。由此，我们可以做出如下结论：测量运动的长度总与测量时间 相联系。这样，我们就把开篇的两个公式钟慢效应公式，尺缩效应钟慢效应公式，尺缩效应公式公式联系起来了！前面我们都是对相对论进行抽象分析，很多实验前面我们都是对相对论进行抽象分析，很多实验都是理想实验，现在根本办不到，这和牛顿力学都是理想实验，现在根本办不到，这和牛顿力学犹大的区别但是，我们必须承认，正是这些看犹大的区别但是，我们必须承认，正是这些看似不能实现的实验，得到了让

8、人类惊喜的成果似不能实现的实验，得到了让人类惊喜的成果当然，随着科技的发展，我们也用一些精确的实当然，随着科技的发展，我们也用一些精确的实验验证了狭义相对论的正确性验验证了狭义相对论的正确性现在举一些例子，来让我们体会狭义相对论现在举一些例子，来让我们体会狭义相对论一1971年美国科学家在地面对准精度为10-9秒的铯原子钟，把4台原子钟放到喷气式飞机上绕地球飞行一圈，然后返回地面与地面静止的比较，结果慢了59毫微秒。与相对论值只差用10，后来将原子钟放到飞船上实验精度进一步提高二 介子在实验室中的寿命为介子在实验室中的寿命为介子在实验室中的寿命为介子在实验室中的寿命为2.152.15 10 6

9、s10 6s，进入大气，进入大气，进入大气，进入大气后后后后 介子衰变，介子衰变，介子衰变，介子衰变，速度为速度为速度为速度为0.9980.998c c，从高空到地面约从高空到地面约从高空到地面约从高空到地面约 1010KmKm，问：问：问：问：介子能否到介子能否到介子能否到介子能否到达地面。达地面。达地面。达地面。以地面为参照系以地面为参照系以地面为参照系以地面为参照系 介子寿介子寿介子寿介子寿命延长。命延长。命延长。命延长。用经典时空观用经典时空观用经典时空观用经典时空观 介子所走路介子所走路介子所走路介子所走路程程程程还没到达地面，就已经衰还没到达地面，就已经衰还没到达地面，就已经衰还没

10、到达地面，就已经衰变了但实际探测仪器不仅变了但实际探测仪器不仅变了但实际探测仪器不仅变了但实际探测仪器不仅在地面，甚至在地下在地面，甚至在地下在地面，甚至在地下在地面，甚至在地下 3km 3km 深的矿井中也测到了深的矿井中也测到了深的矿井中也测到了深的矿井中也测到了 介介介介子。子。子。子。用相对论时空观用相对论时空观用相对论时空观用相对论时空观 介介介介子所走路程子所走路程子所走路程子所走路程地面地面地面地面 S S 系系系系观测观测观测观测 介子寿命介子寿命介子寿命介子寿命地面地面 S 系系观测观测 介子运动距离：介子运动距离：完全完全能够到达地面能够到达地面。狭义相对论具有深刻的内涵狭义相对论具有深刻的内涵,是值得我们思考的是值得我们思考的,爱因斯坦敢于打破常爱因斯坦敢于打破常 的思维模式的勇气的思维模式的勇气,是很值得我们学习的是很值得我们学习的.我们应该敢于思考我们应该敢于思考,努力学习努力学习,今后为科学做出贡献今后为科学做出贡献!参考书目参考书目 1.1.杨维纮杨维纮 力学力学 中国科学技术大学中国科学技术大学 2.2.苏苏 .阿维里扬诺夫阿维里扬诺夫 狭义相对论原理狭义相对论原理 科学出版社科学出版社 作者：吴斌斌作者：吴斌斌 学号：学号：pb04203205pb04203205 班级：大一物理一班班级：大一物理一班 谢谢观看