IB物理选修A相对论知识点解析

IB物理课程和美高的AP课程以及Alevel物理课程不同。具有IB独有的选修模块,在课程最后,IBO设置了4个选修模块,分别是

Option A Relativity 相对论

Option B Engineering Physics 工程物理

Option C Imaging 图像

Option D Astrophysics 天体物理

大多数学校可能会选择开始其中的两个左右的选修模块。具体是哪两个通常和学校物理老师的专业背景有一定的关系。

其中Option A 相对论是我们今天要介绍的重点,在过去的物理学习中,无论美高AP还是Alevel课程,对于相对论其实都不涉及这方面的知识。同时有一些同学感觉相对论是一个非常高深的理论,但是其实并不是,在爱因斯坦当时的环境下,能够通过思考得出这样的理论,是非常前沿的。

但是如今我们已经站在巨人的肩膀上了,所以可能它也并没有那么的深不可测。   今天这里给大家做一点点介绍,希望各位IB同学在将来选择的时候,也会有一个提前的了解。

动摇经典物理学】迈克尔逊-莫雷实验

迈克尔逊和莫雷是美国的两位著名物理学家,在1887年他们设计了一个实验,原本是希望证明“以太”(一种看不见摸不着的电磁波的假想媒介“。 在这个实验中他们让同一束光通过分光镜,走两条路,一条是和地球运行方向(以太前进方向)相同的的路径,一条是和以太前进方向垂直的路径。

根据我们的之前的速度叠加,光在这两个路径上的相对于地面的速度是不一样的,那么其观测屏幕上存在这两束光应该存在相位差进而导致屏幕上条纹的完全静止状态下所预测的偏移。

浅析IB物理-选修A-相对论

但是实验最终发现,无论两条光的路径相对于地球运动方向(“以太“运动方向)都没有让干涉条纹有丝毫的变化。那么这样就说明了,第一,”以太“不存在。第二,光速在任何情况下任何方向上,都是一个不变的常数。

【利用在任何参考系中都不变的光速搞事情】时间变慢

我们在一辆高速行驶的列车里安装如下图的一个装置。上面是一块镜子,下面是一个激光发射器,发射出激光,经过上面的镜子反射,回到下面的接收器。

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左侧的图是在列车上的实验员看到的景象,光线从下面发射器出发,竖直往上,反射了之后竖直往下回到了下面。我们假设发射器和玻璃之间的间距为d 那么列车上的实验员所检测到的实验时间为

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其中c是光速。 而站在铁轨旁地面上的实验员看到的是另外的一个景象,激光从发射器发出之后,由于列车在往前进,所以镜子也往前移动了一段距离,假设列车的速度为u,假设地面实验员检测到的时间时间为Δt,那么到达镜子的时间为

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实际光走过的路程为

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同时不难发现,这条路径是直角三角形的斜边,应用勾股定理,我们有

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化简之后,我们可以得到

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这是同一件事情,但是在不同运动系中的两个实验员得到了两个不同的测量结果, 我们会发现两者的关系是

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我们进行一下角色带入,如果我们就是是那位站在铁轨旁边地面上的实验员,我们自己身边地面上摆放了一台一摸一样的机器,当这台机器完成一次实验,使用了时间

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而我们在地面上观察到火车上的机器完成一次实验需要

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比地面上这台机器需要的时间更久一些。 这就是狭义相对论中的钟慢效应Time dilation。同时性也会丧失,一件事情可能在一个参考系中是同时发生的,在另一个参考系中,就不是了。

注意!这是严谨的时间变慢推导,因为在推导过程中我们其实默认了时间的变化是线性的,虽然结果是正确的,但是这并不严谨。

在列车上的实验员,以自己为参考系,那么地面上的实验员就是在运动的,那在他看来可能就是地面的钟看起来变慢了,地面和列车上的两台实验仪器同时开始,在不同角度看,实验完成就不是同时的,甚至先后顺序都是不同的。

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