狭义相对论、广义相对论入门基础知识

tuenhai.com 20180108

相对论基础知识:什么是参考系

tuenhai.com :学习物理时,必然会碰到参考系、惯性系这些基础概念,如果不是在一开始就解决了陌生概念,那么你每次遇到这些词语的时候,都像是吃饭吃到了石头一样令人不快

什么是参考系:

在描述一个物体运动时,选来作为用来观察这个物体的运动的另外的某个物体就是参考系,也叫作参照系

要注意的是:

  • 用来做参考系的物体都是假定不动的
  • 一定不能将研究对象作为参考系

参考系的选定原则:

  • 从观测方便角度选择
  • 从运动的描述尽可能简单的角度选择
  • 也可以任意选择

如果选择了一个参考系后使得研究的问题变得复杂,那么这个参考系可能选错了

参考系的四个性质:

  • 相对性:物体的运动都是相对参考系而言的

  • 同一性:比较不同物体的运动时,应该选择同一参考系

  • 差异性:同一运动选择不同的参考系,观察结果可能不同

  • 任意性:并没有规定一定要用哪个参考系

注意:

  • 因运动描述的相对性,凡是提到物体的运动,都必须明确它是相对于哪个参考系而言的

  • 在同一个问题中研究多个物体的运动或同一物体在不同阶段的运动时,必须选取同一个参考系

以研究地球和太阳的关系为例,可以拟人化理解,把地球当成静止不动,地球去看太阳,地球得出结论,地球不动,太阳在动

人类在地球表面生活,默认是以地球为参考系,直观认为太阳在围绕地球旋转,从特定参考系的角度来说,这种说法并无不妥。但是,如果把这种看法绝对化,那么就是错误的了

以太阳为参考系呢?这就是把太阳当成静止不动得到的对二者运动关系的认识,这时候就是假设太阳不动,地球在动

当看到 以某物作为参考系 这样的话的时候,tuenhai.com 建议你翻译成拟人化的形式 参考某物体的看法,这样翻译几次以后,参考系这块石头就被你解决了

相对论基础概念:什么是惯性参考系和非惯性参考系

  • 牛顿第一运动定律

    除非施加外力,物体的运动速度不会改变

    也就是说,如果没有施加外力,或者施加外力之和为零,则运动物体部是保持匀速直线运动状态或者保持静止

    物体所显示出来的这种保持运动状态不变的性质称为惯性,所以牛顿第一运动定律又称为惯性定律

  • 惯性参考系

    满足牛顿第一运动定律的参考系,简称惯性系

  • 非惯性参考系

    不满足牛顿第一运动定律的参考系,简称非惯怀参考系

地面参考系是惯性参考系

相对地面做匀速直线运动的参考系是惯性参考系

惯性系可以这样理解,把你关在一个集装箱里,这个集装箱可能放在匀速直线前进的货车上,忽略路面不平引起的震动,或者把集装箱放在地上。你可以在集装箱里做各种牛顿力学实验,比如扔出一个球看它如何落下,向前或向后走动,你始终无法知道自己是在车上还是在地上。这时就可以判定,你所处的环境就是一个惯性系

简单地说,静止或者匀速直线运动的参考系是惯性系,除此就是非惯性系

狭义相对论二个基本原理

1905年,爱因斯坦发表论文《论动体的电动力学》,提出了狭义相对论

狭义相对论的基本原理

  • 光速不变原理

    在所有惯性系中,真空中的光速都等于 299 792 458 m/s,与光源运动无关

  • 狭义相对性原理

    在所有惯性系中,物理定律有相同的表达形式。这是力学相对性原理的推广,它适用于一切物理定律,其本质是所有惯性系平权

相对论效应分析要使用到的基础概念、基础原理

tuenhai.com :我查了一些资料,很少有人能把相对论讲清楚,原因主要在于他们忽略了一件重要的事情,人是用概念思考问题的,只有概念清晰了,理解和讲清楚相对论才有可能

tuenhai.com 在这里提出了一些新的概念,暂时不太理解不要紧,后面会展开讲解的

狭义相对论效应是物体高速运动时呈现出来的效应,如果不能确定谁静止,谁运动,那么相对论效应就无从谈起,于是就要先确定一个平台参考系来决定各个物体的运动状态

  • 平台参考系

    相对论效应观测事件中各个物体原来所在的一个运动状态比较稳定的参考系就是平台参考系

    地球就是一个很好的平台参考系,通常以地球为参考系来确定谁静止,谁运动

  • 静止者:相对平台参考系保持静止的观测者

    以地球为平台参考系,地面观测者就是静止者

  • 运动者:相对平台参考系保持运动的观测者

    以地球为平台参考系,呈高速运动的观测者就是运动者

  • 静止者数据:静止者观测到的数据

  • 运动者数据:运动者观测到的数据

  • 静止者钟:静止者观测到的钟的数据

  • 运动者钟:运动者观测到的钟的数据

重要的狭义相对论时空效应

  • 静止者钟时变慢,运动者钟时变快

    钟时,就是钟表时间

    静止者钟慢:静止者观测运动者带在身上的时钟,不论运动者的运动方向,发现钟都随著运动速度增加而变慢,这就是静止者钟时变慢,或者说静止者钟时膨胀

    运动者钟时变快:运动者观察带在身上的钟,发现钟的走时没有变慢。和静止者钟相比较,运动者钟走得快,这就是运动者钟时变快,或者说运动者钟时收缩

  • 静止者命时收缩,运动者命时膨胀

    命时,就是生命时间

    静止者观测运动者带在身上的钟,发现钟跳一次要跨过更大的空间,于是静止者的生命时间就会收缩,也就是寿命变短

    运动者观测带在身上的钟,发现钟跳一次并不需要跨过更大的空间,和静止者比较,就是生命时间膨胀了,也就是寿命延长

  • 静止者长度膨胀,运动者长度收缩

    静止者观测运动者,发现运动者长度膨胀了,这就是静止者长度膨胀

    静止者从静止状态转换到运动状态后,发现自己在运动的那个轴向的长度缩短了。其收缩率,就是劳仑兹因子。其它轴向的长度并不会有影响

    运动者如果不用眼睛直接去看,而只相信尺子测量的结果,那么测量的结果显示自己并没有发生收缩,因为尺子也是同步收缩了,用收缩的尺子去测量收缩的物体,那么读数上自然看不出变化

  • 同时的相对性

    绝对静止系不可得,所以各惯性系的观测者,对于两事件发生,仅能作出是否相对同时的判断,而没有办法作出是否绝对同时的判断,除非两事件发生在同一时空点上

  • 相对论质量

    当某有质量之物体移动速率越接近光速,相对论质量会变重

  • 相对论能量

    运动时物体质量增大,同时运动时将会有动能,质量与动能均随速度增大而增大
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