高考物理最新教案-高中物理教师备课资料：狭义相对论的基本原理(2)

(沪科K)狭义相对论的基本公设

上面这两个问题都跟光的传播速度有关．爱因斯坦建立狭义相对沦也源于对光速的考虑。 (沪科K)追光问题的思考

根据爱闪斯坦自己的回忆，他从16岁(1895年)起就开始思考这样一个问题：“如果我以光速追光波，将会看到什么?”这个问题困扰他10年之久。

为什么这个问题难以解决呢?这是因为：如果认为观察者看到的是一个静止不前的电磁振荡，与直觉经验不符；而如果认为看到的是一个以一定速度行进的光，则违反了速度合成法则。

你思考过这个问题吗?你的看法如何? (沪科K)伽利略相对性原理

在经典力学中，牛顿运动定律是力学规律的基础，如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系就叫做惯性系(inetial frame)。相对于一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。

(沪科K)在不同的惯性系中．力学规律都是相同的。如果我们在不同的惯性系中测物体自由下落的时间，测一个单摆的周期，研究平抛运动的规律，或研究牛顿第二定律的实验，我们会发现，所有的实验现象和实验结论，都不会出惯性系的不同而有所不同，也就是说，各个惯性系都是等价的；这个观点叫做伽利略相对性原理。

但是，如果将伽利略相对性原理推广到与光速有关的情况时，就要产生不可解决的矛盾了。 (沪科K)请讨论：假设有一艘宇宙飞船，它的速度高达7.5?104km/s(光速的l／4)。你的同学带着一个激光电g在飞船中，你带一个激光电筒站在地面上。

1．当飞船向你飞来时，你向飞船发出一束激光，你的同学在飞船中测得的激光速度是多大? 2．当飞船远离你而去时，你向飞船发出一束激光，你的同学在飞船中测得的激光速度是多大? 3．当飞船向你飞来时，同学向你发出一束激光，你测得的激光速度是多大?

（注：(沪科J)追光问题的思考反映了爱因斯坦从相对论的思想萌芽导致狭义相对论建立的意义。爱因斯坦在《自述》(参见《爱因斯坦文集》第一卷，湖南科学技术出版社2002年出版)一文中的表白，揭示了这一思考的背景：

“……经过10年沉思以后，我从一个悖论得到了这样一个原理，这个悖论我在16岁时就已经想到了：如果我以光速c(真空中的光速)

追随一条光线运动，那么我就应该看到，这条光线就好像一个在空间里振荡着而停滞不前的电磁场。可是，无论是依据经验，还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这样的事情。从一开始，在我直觉地看来就很清楚，从这样的一个观察者的观点来判断，一切都应当像一个相对于地球是静止的观察者所看到的那样，按照同样的一些定律进行。因为，第一个观察者怎么会知道或者判断他是处在均匀的快速运动状态中呢?人们看得出，这个悖论已经包含着狭义相对论的萌芽。”

(沪科K)速度相加原理是伽利略相对性原理的推论。这里“请讨论广…．”中的3个问题都要依据速度相加

公式计算。） (沪科

K)根据僧利略相对性原理可算出，第

1

个问题的答案是

3.75?105km/s,第二个是2.25?105km/s,第3个是3.75?105km/s。但这些答案都是错误的。因为大量的事实

证明，光的传播速度跟光源的运动情况无关，光在任何惯性系中传播的速度都是不变的。

你是不是觉得有点不可思议? (沪科K)两条基本公设

光速不变是一件重要的事实。

那么，伽利略的相对性原理难道不适用于高速运动吗?

爱出斯坦以他独特的思考方式，把人们看来互相矛盾的相对性原理和光速不变原理作为他的狭义相对论(speclal relatlvlty)的基本公设：

1．在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。这个公谩通常叫做爱固斯坦相对性原理。 2．在一切惯性系中，光在真空中传播的速度都等于c，跟光源的运动无关。

从绝对时空观的角度看，这两条基本假设是矛盾的。所以必须抛弃经典的绝对时间、绝对空间的观念，才能使二者融洽。

爱因斯坦是怎样解决这个矛盾的呢?他说：“我的解决办法是，分析时间这个概念，时间不能绝对定义，时间与速度之间有不

：(沪科J)这两条基本公设是爱因斯坦看出了相对性原理与光速不变原理的“表面上的抵触”而提出的，是狭义相对论的基础。它们体现了建立相对论时的基本思想：“一种理论的前提的简单性越大，它所涉及的事物的种类越多，它的应用范围越广，它给人们的印象也就越深。”(参见《爱因斯坦文集》第一卷) (沪科J)公设1是爱因斯坦把相对性原理推广到一切物理现象。

(沪科J)公设2被许多实验事实所证实。这是一条与经典力学观点根本对立的公设。实际上，光速不变原理是同绝对时间的概念相矛盾的。在下一节，我们会看到时间的相对性就是光速不变原理的直接结果。

(沪科K)狭义相对论的基本原理

从钟表的嘀嗒声到太阳的东升西落，我们时刻都在与时间和空间打交道。在口常生活和生产中，用时钟测量时间，用米尺测量长度，也是司空见惯的事。那么，你想过没有，到底什么是时间和空间呢? 我们知道，力学的研究对象是物体的机械运动，要定量地研究这种运动，必须选定适当的参考系，力学的概念及其规律对定的参考系才有意义。我们也知道，无论是运动的描述，还是运动规律的说明，都跟长度和时间的测量有关，那么，相对于不同的参考系，长度和时间的测量结果是一样的吗?

对上述问题，物理学家进行厂长期的探索，于是，物理学经历了一场关于时空现的根本性变革，从牛顿时代的经典力学跨越到爱闲斯坦的相对论。

(沪科J)分析和思考狭义相对论问题，必须抓住光速不变原理这个公设。这是放弃经典时空观，建立相对论时空观的关键!

(沪科K)爱因斯坦的两条基本公没只涉及无加速运动的惯性系，由此建立的相对论通常叫做狭义相对论。 (沪科K)狭义相对论是对经典物理学的——次变革。

（鲁科K）拓展一步

（鲁科K）凡是相对于惯性参照系做匀速直线运动的参照系，都是惯性参照系。相对于惯性参照系做变速运动的参照系，都是非惯性参照系，如加速上升的电梯、即将着陆的飞机等。

狭义相对论要求，惯性系必须建立在匀速运动的物质系统上，并且该速度应小于光速c。这样看来，似乎不存在严格的惯性系，但是在要求不太高的情况下，我们可以选取近似惯性系。例如，地球就可近似看成惯性系。

2．（鲁科K）四维时空

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