3《狭义相对论》

3狭义相对论

3.1狭义相对论基本假设

1. 有下列几种说法：

(1) 所有惯性系对物理基本规律都是等价的．

(2) 在真空中，光的速度与光的频率、光源的运动状态无关．

(3)在任何惯性系中，光在真空中沿任何方向的传播速率都相同．

若问其中哪些说法是正确的, 答案是

(A) 只有(1)、(2)是正确的．

(B) 只有(1)、(3)是正确的．

(C) 只有(2)、(3)是正确的．

(D) 三种说法都是正确的．

答案：(D)

参考解答：

光速不变原理和相对性原理是爱因斯坦在创立狭义相对论时提出的两大基本假设。光速不变原理：在真空中的任何惯性参考系上，光沿任意方向的传播速度都是C；相对性原理：所有物理规律在所有不同惯性参考系中的形式都相同。

所有选择，均给出参考解答，进入下一题。

3.2狭义相对论时空观

1. 在狭义相对论中，下列说法中哪些是正确的？

(1) 一切运动物体相对于观察者的速度都不能大于真空中的光速．

(2) 质量、长度、时间的测量结果都是随物体与观察者的相对运动状态而改变的．

(3) 在一惯性系中发生于同一时刻，不同地点的两个事件在其他一切惯性系中也是同时发生的．

(4)惯性系中的观察者观察一个与他作匀速相对运动的时钟时，会看到这时钟比与他相对静止的相同的时钟走得慢些．

(A) (1)，(3)，(4)．(B) (1)，(2)，(4)．

(C) (1)，(2)，(3)．(D) (2)，(3)，(4)．

答案：(B)

参考解答：

在狭义相对论中，根据洛仑兹变换物体运动速度有上限，即不能大于真空中的光速；质量、长度、时间都是相对的，其测量结果取决于物体与观察者的相对运动状态，有动尺收缩和运钟膨胀的相对论效应。

对于所有选择，均给出以下思考题。

1.1相对论的时间和空间概念与牛顿力学的有何不同？有何联系？

参考解答：

牛顿力学时空观的基本观点是，长度和时间的测量与运动（或说与参考系）无关；而相对论时空观的基本观点是，长度和时间的测量不仅与运动有关，还与物质分布有关。

牛顿力学时空概念是相对论时空观在低速（即运动速度远远小于光速）时的近似。

牛顿力学时空观的基本原理是力学相对性原理，由力学基本原理得到的两个惯性系的运动量间的关系是伽利略变换

.,,,t t z z y y t x x ='='='-='v

狭义相对论时空观的基本原理是相对论的相对性原理和光速不变原理，而相应运动量之间的变换是洛仑兹变换 .1,,

,12

222

2

c

x c t t z z y y c t x x v v v v --

='='='--=

' 比较上述两个变换式可知，在低速时，即c u <<时，洛仑兹变换式就会过渡到伽利略变换式。

3.3 同时性

1. (1)对某观察者来说，发生在某惯性系中同一地点、同一时刻的两个事件，对于相对该惯性系作匀速直线运动的其它惯性系中的观察者来说，它们是否同时发生？

(2)在某惯性系中发生于同一时刻、不同地点的两个事件，它们在其它惯性系中是否同时发生？

关于上述两个问题的正确答案是： (A) (1)同时，(2)不同时． (B) (1)不同时，(2)同时． (C) (1)同时，(2)同时． (D) (1)不同时，(2)不同时．

答案：(A) 参考解答：

同时性的相对性是指：在某一惯性系中两地同时发生的两个事件，在相对于此惯性系匀速运动的另一惯性系中观测，并不是同时发生的。

凡选择回答错误的，进入下一题。

1.1 关于同时性的以下结论中，正确的是

(A) 在一惯性系同时发生的两个事件，在另一惯性系一定不同时发生．

(B) 在一惯性系不同地点同时发生的两个事件，在另一惯性系一定同时发生． (C) 在一惯性系同一地点同时发生的两个事件，在另一惯性系一定同时发生． (D) 在一惯性系不同地点不同时发生的两个事件，在另一惯性系一定不同时发生．

答案：(C) 参考解答：

如果S 系和S '系是相对于运动的两个惯性系。设在S '系中同一地点、同一时

刻发生了两个事件，即0,01212

='-'='∆='-'='∆t t t x x x .

将上述已知条件代入下面的洛仑兹坐标变换式中

2

212

2

121)(c

x x c t t t t v v

-'-'+

'∆=

-=∆ 则可得 012=-=∆t t t ，说明在S 系中也是同时发生的。

这就是说，在同一地点，同一时刻发生的两个事件，在任何其他参考系中观察观测也必然是同时发生。

进入下一题。

2. 同时的相对性是什么意思？为什么会有这种相对性？如果光速是无限大，是否还会有同时性的相对性？

参考解答：

同时性的相对性的意思是：在某一惯性系中两地同时发生的两个事件，在相对于此惯性系匀速运动的另一惯性系中观测，并不是同时发生的。

这个结论与光速不变原理紧密相联。

设相对运动的惯性系是)(x0y S 和)(y 0x S ''''，坐标系和相对运动如图所示，坐标原点0和0'重合时设为0='=t t 。

由洛仑兹变换，两事件的时空坐标关系为

2

221c

x c t t v v -∆-∆=

'∆ 如果在S 系中两事件同时发生，即0=∆t ，那么在S '系中两事件的时间间隔

2

221c

x c t v v -∆-

='∆

与两事件在S 系中发生的空间间隔x ∆有关。当0≠∆x 时，0≠'∆t 。即两事件在S '系中不同时发生。

如果光速是无限大，也就是研究的对象均属于低速情况，那必然是牛顿力学的情况。即洛仑兹变换中的

.0,

0222

==c

c

v

v 则 t t ∆='∆，就不再有同时的相对性。

进入下一题：

3.4 时间膨胀

1. 两只相对运动的标准时钟A 和B ，从A 所在惯性系观察，哪个钟走得更快？从B 所在惯性系观察，又是如何呢？有以下一些说法： (1) 从A 所在惯性系观察，A 钟走得更快． (2) 从A 所在惯性系观察，B 钟走得更快．

(3) 从A 所在惯性系观察，A 钟走得更快；从B 所在惯性系观察，B 钟走得更快． (4) 从A 所在惯性系观察，B 钟走得更快；从B 所在惯性系观察，A 钟走得更快．