夏少標(biāo) 傅明峰

物理課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)“相對(duì)論時(shí)空觀和牛頓力學(xué)的局限性”這部分內(nèi)容的要求是“知道和初步了解”，學(xué)習(xí)這部分知識(shí)的目的在于促使同學(xué)們關(guān)注宇宙起源和演化的研究進(jìn)展，拓展同學(xué)們的知識(shí)結(jié)構(gòu)，開(kāi)闊同學(xué)們的視野，引導(dǎo)同學(xué)們正確認(rèn)識(shí)物理學(xué)理論的發(fā)展和適用范圍，體會(huì)人類(lèi)對(duì)自然界的探索不斷深入的進(jìn)程。下面就通過(guò)幾個(gè)典型問(wèn)題的討論，讓我們一起來(lái)建立物理概念，樹(shù)立物理觀念，提升物理核心素養(yǎng)吧。

一、絕對(duì)時(shí)空觀與光速不變實(shí)驗(yàn)之間的矛盾

問(wèn)題1：一列動(dòng)車(chē)組以310 km/h的速度高速行駛，列車(chē)上的乘客觀察到車(chē)廂內(nèi)的時(shí)間、長(zhǎng)度與地面上的觀察者看到的相同嗎？時(shí)間和空間都不會(huì)因?yàn)槲矬w的運(yùn)動(dòng)而改變的觀念叫什么？

分析：時(shí)間和空間都是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的，故列車(chē)上的乘客和地面上的觀察者看到的結(jié)果是相同的，這種時(shí)空觀叫絕對(duì)時(shí)空觀，也叫牛頓力學(xué)時(shí)空觀。

問(wèn)題2：假如測(cè)得的光速是1.2e，這與之前我們知道的光速c是自然界最快的速度矛盾嗎？

分析：矛盾。不存在超光速。

問(wèn)題3：電磁波（光）傳播的速度是c，有沒(méi)有指明這個(gè)速度是相對(duì)哪個(gè)參考系的？如果沒(méi)有指明說(shuō)明了什么？有實(shí)驗(yàn)證據(jù)嗎？

分析：沒(méi)有說(shuō)明相對(duì)哪個(gè)參考系，說(shuō)明對(duì)于任何參考系光速都是c，科學(xué)家們通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一猜想。

問(wèn)題4：邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)的直接結(jié)果是什么？這一結(jié)果與我們熟悉的速度合成相同嗎？

分析：1887年的邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)表明“在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的”，這與牛頓力學(xué)中不同參考系之間的速度變換關(guān)系不符。

問(wèn)題5：在力學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有矛盾時(shí)，不同的物理學(xué)家處理的方法有何差異？

分析：一些物理學(xué)家仍然堅(jiān)持原有的基礎(chǔ)觀念，進(jìn)行一些修補(bǔ)的工作，而愛(ài)因斯坦、龐加萊等人則主張徹底放棄某些與實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)不符的結(jié)論，建立新理論。

問(wèn)題6：為了解決力學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的矛盾，愛(ài)因斯坦做了什么？

分析：愛(ài)因斯坦提出了能夠更好解釋實(shí)驗(yàn)事實(shí)的兩個(gè)假設(shè)，即假設(shè)在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的;假設(shè)真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的。

二、相對(duì)論時(shí)空觀和牛頓力學(xué)的局限性

一列火車(chē)以速度v相對(duì)于地面高速行駛，位于車(chē)廂正中央的光源，某一時(shí)刻發(fā)出了一個(gè)閃光。

問(wèn)題1：以火車(chē)為參考系，閃光是否同時(shí)到達(dá)車(chē)廂的前壁和后壁？

分析：閃光同時(shí)到達(dá)車(chē)廂的前壁和后壁。

問(wèn)題2：以地面為參考系，光剛從光源發(fā)出時(shí)，前壁與后壁離光源是否等距？經(jīng)過(guò)△t時(shí)間后，前壁與后壁離光發(fā)出時(shí)的位置還等距嗎？為什么？

分析：從地面為參考系，光剛從光源發(fā)出時(shí)，光源到前后壁的距離相等，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后壁到光源的距離小于前壁到光源的距離。

問(wèn)題3：根據(jù)光速不變?cè)恚獾竭_(dá)前壁與后壁還同時(shí)嗎？

分析：不同時(shí)。

問(wèn)題4：火車(chē)內(nèi)觀察者觀察到光同時(shí)到達(dá)前壁和后壁，而在地面觀察者看來(lái)并不同時(shí)，你相信這是真的嗎？你要否定它，首先需要否定什么？

分析：相信，首先要否定絕對(duì)時(shí)空觀。

問(wèn)題5：時(shí)間間隔還是與物體運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的獨(dú)立存在嗎？

分析：不是。

問(wèn)題6：除了時(shí)間觀念，你認(rèn)為空間距離是否也會(huì)與物體的運(yùn)動(dòng)有關(guān)？

分析：空間距離與物體的運(yùn)動(dòng)也有關(guān)。

問(wèn)題7：愛(ài)因斯坦基于兩個(gè)假設(shè)推導(dǎo)得到的時(shí)間間隔△t和桿長(zhǎng)l的表達(dá)式是怎樣的？它們表達(dá)了怎樣的結(jié)果？

問(wèn)題8：上述時(shí)間間隔△t和桿長(zhǎng)l的表達(dá)式有沒(méi)有得到實(shí)驗(yàn)的證明？對(duì)于地面觀測(cè)者來(lái)說(shuō)，μ子的平均壽命約為多少？

分析：相對(duì)論時(shí)空觀的第一次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是在1971年進(jìn)行的。肚子相對(duì)與自身靜止的參考系的平均壽命為3μs，對(duì)于地面上的觀察者來(lái)說(shuō)，利用時(shí)間間隔公式計(jì)算可得μ子的平均壽命約為21μs。

問(wèn)題9：為什么說(shuō)愛(ài)因斯坦的相對(duì)論是革命性的？

分析：愛(ài)因斯坦的相對(duì)論改變了經(jīng)典時(shí)空觀念，揭示了高速運(yùn)動(dòng)物體遵循的規(guī)律，指出了牛頓力學(xué)的局限性。

問(wèn)題10：當(dāng)愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論的時(shí)空觀提出后，牛頓力學(xué)是否還有價(jià)值？它的適用條件是什么？

分析：牛頓力學(xué)在歷史上曾經(jīng)完美地解釋了物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并將天上的力與地上的力統(tǒng)一起來(lái)。當(dāng)愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論的時(shí)空觀提出后，牛頓力學(xué)仍有其適用價(jià)值，即在低速、宏觀、弱引力的情形下，牛頓力學(xué)仍然成立。

三、學(xué)以致用

例1 若地面上的人認(rèn)為A、B兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生，則對(duì)于坐在火箭中沿兩個(gè)事件發(fā)生地點(diǎn)（A事件發(fā)生的地點(diǎn)距火箭更近些）連線(xiàn)方向飛行的人來(lái)說(shuō)，哪個(gè)事件先發(fā)生呢？

解析 可以設(shè)想，當(dāng)事件A發(fā)生時(shí)A處發(fā)出一個(gè)閃光，當(dāng)事件B發(fā)生時(shí)B處發(fā)生一個(gè)閃光，將“兩閃光相遇”作為一個(gè)事件，發(fā)生在線(xiàn)段AB的中點(diǎn)，這在不同的參考系中看都是一樣的。

火箭上的人則有如下推理：地面在向火箭的方向運(yùn)動(dòng)，從閃光發(fā)生到兩閃光相遇，線(xiàn)段中點(diǎn)向火箭的方向運(yùn)動(dòng)了一段距離，因此閃光B傳播的距離比閃光A長(zhǎng)些，既然兩個(gè)閃光的光速相同，那么一定是閃光B發(fā)出得早一些。

例2 如圖1所示，一列火車(chē)以速度v相對(duì)地面行駛，如果地面上的人測(cè)得，某光源發(fā)出的閃光同時(shí)到達(dá)車(chē)廂的前壁和后壁，那么按照車(chē)廂中的人的測(cè)量，閃光是先到達(dá)車(chē)廂的前壁還是先到達(dá)后壁？車(chē)廂中的人怎樣解釋自己的測(cè)量結(jié)果？

解析 地面上的人和車(chē)廂中的人選擇的慣性系不一樣，在這兩個(gè)不同的慣性系中，光向前傳播和向后傳播的速度相同，傳播到車(chē)廂前后壁所用的時(shí)間不一樣。

地面上的人以地面為慣性系，光向前、向后傳播的速度相等，光源發(fā)出的閃光同時(shí)到達(dá)車(chē)廂的前壁和后壁，向前傳播的路程與向后傳播的路程相同，因?yàn)榛疖?chē)向前運(yùn)動(dòng)，所以光源到車(chē)廂前壁的距離較小;車(chē)廂中的人以車(chē)廂為慣性系，光向前、向后傳播的速度相等，光源到車(chē)廂前壁的距離較小，閃光先到達(dá)車(chē)廂前壁。