狹義相對(duì)論教學(xué)問題范文
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《物理教師雜志》2014年第六期
1超光速問題
光速是宇宙中最快的速度，是狹義相對(duì)論的基本信條．超光速是人們一直想找到的現(xiàn)象，資料顯示：在天文觀測方面，已觀測到60多個(gè)超光速射電源（類星體），它們的膨脹速度一般都達(dá)到光速的數(shù)倍甚至幾十倍，例如類星體3C345中兩個(gè)子源的分離速度超過45倍．從數(shù)據(jù)上看似已經(jīng)找到了超光速，但這并不是狹義相對(duì)論所定義的速度，狹義相對(duì)論所謂的速度必須是對(duì)實(shí)物粒子進(jìn)行當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)販y量而得的，因?yàn)椴煌瑫r(shí)不同地測得的速度、時(shí)間等概念已經(jīng)沒有意義．速度有很多種，比如拿著一只激光筆射向遠(yuǎn)方的一堵墻，然后轉(zhuǎn)動(dòng)激光筆，那么墻上的光斑就會(huì)迅速地移動(dòng)，如果距離足夠遠(yuǎn)的話，光斑的移動(dòng)速度就可以超過光速，但這樣的速度顯然不是我們想要的速度，因?yàn)楠M義相對(duì)論要求的速度必須能攜帶信息，比如光或任何實(shí)物粒子都可以攜帶信息，但光斑的移動(dòng)以及射電源星體的分離速度是不能傳遞信息的，它只是一種概念上的速度．
2運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性及參考系的平權(quán)問題
運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性在中學(xué)參考系一節(jié)中就講到，人們普遍認(rèn)為根據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性，加速運(yùn)動(dòng)也是相對(duì)的，實(shí)際上加速運(yùn)動(dòng)并不是相對(duì)的，因?yàn)橐粋€(gè)真正做加速運(yùn)動(dòng)的物體必須受到一個(gè)力源的作用，它并不是不可區(qū)分的．比如在兩觀者的身上各放一個(gè)彈簧振子，通過觀察對(duì)方的彈簧振子有沒有發(fā)生形變就可判斷誰在做真正的加速運(yùn)動(dòng)，加速運(yùn)動(dòng)的不可相對(duì)性是理解雙生子效應(yīng)的關(guān)鍵．其次，狹義相對(duì)性原理說一切慣性系平權(quán)，即物理規(guī)律在慣性系中都是一樣的，說明狹義相對(duì)論只承認(rèn)慣性系之間是無法區(qū)分的，而廣義相對(duì)論卻認(rèn)為所有參考系都一樣，因此很多人會(huì)認(rèn)為這兩個(gè)理論是矛盾的，必然有一個(gè)不對(duì)，其實(shí)這并不矛盾，因?yàn)閮商桌碚撍芯康膶?duì)象與時(shí)空背景不同．狹義相對(duì)論研究的是無引力的平直時(shí)空．廣義相對(duì)論研究的是有引力的彎曲時(shí)空，廣義相對(duì)論認(rèn)為所有參考系平權(quán)是基于引力質(zhì)量等于慣性質(zhì)量，即引力所產(chǎn)生的效果與加速運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的效果無法區(qū)分．比如加速運(yùn)動(dòng)電梯里的人并不能分辨自身的重力來自于加速運(yùn)動(dòng)還是引力作用，于是非慣性系就失去了特殊性，但要注意的是這種相等也僅僅是指物理規(guī)律的表達(dá)形式一致，而且是局域的等效，并不是說引力與加速的物理本質(zhì)一樣．因?yàn)橐鍪怯性磮觯菂R聚的，而“加速場”是平行的，它們?cè)谌臻g內(nèi)不可能等效．而在狹義相對(duì)論里是沒有引力的，沒有引力，自然不涉及引力效果與加速效果無法區(qū)分的問題，自然認(rèn)為非慣性系與慣性系是不平權(quán)的了．
3時(shí)光倒流問題
時(shí)光倒流問題是狹義相對(duì)論出現(xiàn)后，人們對(duì)于時(shí)空幻想最多的問題，因?yàn)闀r(shí)光倒流可以引發(fā)很多很奇特的事情，那么到底會(huì)不會(huì)發(fā)生時(shí)光倒流呢？很多人認(rèn)為是可以的，因?yàn)橥瑫r(shí)的相對(duì)性告訴我們一件事發(fā)生的先后順序是相對(duì)的．比如A舉手和B舉手這一事件，在不同的觀者看來它發(fā)生的先后順序可以不一樣，可以是A先舉手，也可以是B先舉手，然而并不是這樣的．仔細(xì)一想會(huì)發(fā)現(xiàn)A舉手和B舉手是沒有因果關(guān)系的，即A舉手與B舉手沒有任何聯(lián)系，互不影響，這樣的時(shí)間順序當(dāng)然是可以顛倒的．一旦有因果聯(lián)系的兩事件先后順序就不可能顛倒，比如A是B的母親，那么B的存在就與A有了因果聯(lián)系，一旦出現(xiàn)時(shí)光倒流就會(huì)出現(xiàn)B回到過去將其母親殺死而B到底存不存在的問題，顯然這樣的事件是科學(xué)家無法接受的．其實(shí)還可以從熵增加原理的角度來看待時(shí)光倒流問題，即封閉系統(tǒng)的熵（混亂程度）總是在不斷地增大，就好比用擋板把A氣體和B氣體隔開，然后抽取擋板，隨著時(shí)間的流逝A與B氣體必然會(huì)混為一團(tuán)，而且時(shí)間越長會(huì)越混亂，然而時(shí)間倒流就意味著A與B氣體會(huì)自然地回到最初的狀態(tài)，這顯然不可能．再比如一座建筑物被風(fēng)化后其損失的泥土分子已經(jīng)散失在各個(gè)地方，并形成新的泥土被建成了另一座建筑物，依次循環(huán)，原來建筑物的泥土分子混亂度越來越大，時(shí)間倒流就意味著這些泥土分子又能自發(fā)回到原來的狀態(tài)，這是不可能的．熵其實(shí)就是時(shí)間的方向，熵增加的過程就是時(shí)間流逝的過程，熵增加原理的成立就意味著時(shí)間的不可倒流．還有人認(rèn)為只要速度達(dá)到光速就可實(shí)現(xiàn)時(shí)光倒流，然而達(dá)到光速需要的能量是無窮大，可惜宇宙所擁有的能量是有限的，故也不可能．
4測量與觀看問題
狹義相對(duì)論里全都是測量問題，而且是對(duì)事件的當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)販y量，因此動(dòng)尺收縮、動(dòng)鐘變慢效應(yīng)等都是測量而造成的，很多人容易理解成是觀看造成的，測量則不會(huì)發(fā)生這些效應(yīng)，其實(shí)正是由于測量才會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象．首先看動(dòng)鐘變慢效應(yīng)，如圖2所示，要想做到當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)販y量，就必須在參考系中充滿觀者，這些觀者拿著事先校準(zhǔn)好的鐘且只對(duì)經(jīng)過自己身邊的事件進(jìn)行測量．設(shè)在S系事件發(fā)生于（t1，x1）時(shí)，S′系為（t1′，x1′），此時(shí)校準(zhǔn)好兩鐘的時(shí)間使。
5動(dòng)鐘變慢與動(dòng)尺收縮效應(yīng)
動(dòng)鐘變慢與動(dòng)尺收縮效應(yīng)既是一種測量效應(yīng)，同時(shí)又是一種相對(duì)效應(yīng)，即一定要說清楚是相對(duì)于誰而言的．如果甲相對(duì)于乙做高速運(yùn)動(dòng)，那么在乙看來，甲鐘是變慢的或甲尺是收縮的，反過來，在甲看來，是乙相對(duì)于甲做高速運(yùn)動(dòng)，則乙鐘是變慢的或乙尺是收縮的．它并不是由于鐘或尺的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而引起的．值得注意的是，之所以是相對(duì)的效應(yīng)是因?yàn)閮烧咦龅亩际菓T性運(yùn)動(dòng)，處于平權(quán)對(duì)等地位，所以沒有任何一方是特殊的．對(duì)于動(dòng)鐘變慢與動(dòng)尺收縮效應(yīng)，大家最愛問的一個(gè)問題是：到底誰變慢或誰變短？這樣的問法首先就是不對(duì)的，因?yàn)樗麄兌际窃诟髯缘膮⒖枷迪聹y得的結(jié)果，不能放在一起比較，比較兩物理量一定要在同一參考系下進(jìn)行．
6雙生子效應(yīng)
雙生子效應(yīng)是問題最多爭議最多的話題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面．（1）“鐘慢”效應(yīng)的結(jié)論是雙方平等的，甲鐘認(rèn)為乙鐘慢，乙鐘認(rèn)為甲鐘慢，為什么雙生子效應(yīng)的結(jié)論卻是不平等的？狹義相對(duì)性原理認(rèn)為一切慣性參考系都是平權(quán)的．“鐘慢”效應(yīng)由于做的都是慣性運(yùn)動(dòng)，自然雙方是平等的，雙生子效應(yīng)中有一方做的是非慣性運(yùn)動(dòng)，正是這種不平等的關(guān)系導(dǎo)致了結(jié)果的不同．（2）加速是相對(duì)的，為什么結(jié)論是乙更年輕？加速有真加速和假加速（三維和四維）之分，前者是相對(duì)的，后者是絕對(duì)的（與觀者、參考系、坐標(biāo)系的選擇無關(guān)），在三維語言里，通常的加速是指相對(duì)于慣性系的加速，當(dāng)把加速運(yùn)動(dòng)理解為非慣性運(yùn)動(dòng)時(shí)指的就是這種絕對(duì)的加速運(yùn)動(dòng)，真正的加速運(yùn)動(dòng)必然要受到力的作用．（3）雙生子效應(yīng)涉及加速運(yùn)動(dòng)，應(yīng)屬于廣義相對(duì)論范疇，狹義相對(duì)論講不清楚？研究問題前一定要分清界限，區(qū)分廣義與狹義的界限在于時(shí)空背景，狹義相對(duì)論的時(shí)空背景是平直的空間（閔可夫斯基時(shí)空），而廣義相對(duì)論的時(shí)空背景是彎曲空間．（4）不知道整個(gè)過程是什么樣的，即怎樣變年輕的？解決此問題最好用時(shí)空?qǐng)D，在時(shí)空?qǐng)D里物體所經(jīng)歷的世界線長度就是它的時(shí)間，直接比較世界線長度即可．最后值得注意的是即使乙比甲年輕，但乙并不會(huì)感到自己的時(shí)間變多了，他感覺與在地球上時(shí)是一樣的，之所以比甲年輕，只因兩者處于不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，兩者的時(shí)間已經(jīng)不再同步了．
7質(zhì)能方程
質(zhì)能方程帶來的最多的問題就是關(guān)于質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量以及質(zhì)量守恒的問題．首先ΔE＝Δmc2并不是說質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量，質(zhì)量不能轉(zhuǎn)化為能量，核反應(yīng)中釋放出來的是核子之間的結(jié)合能，不是質(zhì)量轉(zhuǎn)化來的，它本身就存在于原子核中，此公式只是等量計(jì)算式．質(zhì)量和能量是兩個(gè)不同屬性的物理量，反映的是物質(zhì)不同的屬性，能量是反映物體對(duì)外做功本領(lǐng)的量度，而質(zhì)量是反映物體慣性大小和引力強(qiáng)弱的物理量．在核反應(yīng)中，質(zhì)量是守恒的，能量也是守恒的，但卻不能說質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量．其次，核反應(yīng)中靜質(zhì)量是不守恒的，正是靜質(zhì)量的不守恒，才說明核反應(yīng)中質(zhì)量是守恒的，因?yàn)槟芰酷尫藕髣?dòng)質(zhì)量增加了，質(zhì)量要守恒就必須要求靜質(zhì)量消失一部分，因此我們可以說核反應(yīng)中，靜質(zhì)量轉(zhuǎn)化為了動(dòng)質(zhì)量，儲(chǔ)藏于核子間的核能轉(zhuǎn)化為了光能和動(dòng)能．
8電與磁的相對(duì)性
在大多數(shù)人眼中，電就是電，磁就是磁，它們是完全不同的東西，而且不因參考系而變．實(shí)際上電和磁是統(tǒng)一的整體，即電磁場，所謂的電和磁是觀者在不同參考系下測得的結(jié)果．中學(xué)物理其實(shí)已經(jīng)接觸過很多電與磁相對(duì)性的問題了，只不過沒引起我們的注意．比如電磁感應(yīng)現(xiàn)象，即變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場，可是變化是什么意思呢，它不就與觀者有關(guān)了嗎？假如一個(gè)觀者相對(duì)于變化的電場是靜止的，他就看不到電場在變，自然也就看不到變化電場所產(chǎn)生的磁場．再比如，由一個(gè)靜止電荷激發(fā)的電場叫靜電場，可是假若有觀者相對(duì)于它運(yùn)動(dòng)，觀者所看到的電荷就是運(yùn)動(dòng)的，就像導(dǎo)線中運(yùn)動(dòng)的電荷一樣，因此它的周圍應(yīng)該會(huì)有磁場，這些例子都能說明電與磁的相對(duì)性．電與磁統(tǒng)稱為電磁場，作為電磁場它是唯一的，至于你看到的是只有電場或只有磁場或者兩者都有就完全取決你相對(duì)于這個(gè)電磁場的觀測方式。
作者：楊習(xí)志楊蒲英單位：云南省昆明市第一中學(xué)