高中物理 相对论 选修3-4 课后习题

火车外的地面上有一个光源。火车以速度v向右运动。在地面上的人看来，光源发出的闪光同时到达火车的前后壁。那么，在火车中的人看来，闪光先到达前壁还是后壁？为什么？

相对论的结论是：在一个参考系里不同地点同时发生的两个事件，在另外一个参考系里观察就不是同时的，运动后方的事件先发生，在火车上的人看来，地面在往后退，火车的前壁是地面上的后方，先发生 ，三楼的回答只考虑了其中一种情况，就是光源同时向不同方向发射，如果不是同时发射的，问题的解决就变得比较复杂了，但是结论是不变的

这个问题是爱因斯坦提出来的，不过在这里稍有改动，就是光源的位置已经不是爱因斯坦说的闪电击在车厢上，而是变成在地面上了。考虑这个问题，还要考虑光的返回，如果不考虑光的返回，就不能只用一个人来观察，不同人间的时间较对更成问题。何况人们只能接受一定能量范围的光线，超过这些能量区间的光线，就可能不再引起人们的视觉了，也就是看不见了。能看见的是频率或波长变化了的光线，这样人们看到的不再是同一束光了。 讨论这些虚拟的题目毫无疑义。

火车上的人测得闪光先到达前壁。由于地面上的人测得闪光同时到达前后壁，而光在向前后两壁传播的过程中，火车要相对于地面向前运动一段距离，所以光源发光的位置一定离前壁较近。在车上的人看来，既然发光点离前壁较近，各个方向的光速又是一样的，当然闪光先到达前壁

楼主的问题没有介绍详细，地面上光源的位置与火车的位置，以及光源在火车运动到某个位置时闪光还有地面观察者的位置，火车上的观察者在火车上的位置有很大关系。就楼主现在所问的是不能给与其答案的。

在中学物理中讲了相对论，其中介绍了洛伦兹变换、狭义相对论和广义相对论的简单推导的解释。 在我的印象中好像没有太难的问题。 如果感觉不好理解，可能是没有彻底的站在相对性的角度去考虑问题。   我们平时说高速运动的系统上的时间变慢，沿运动方向上的距离缩短，其实是简单的形象表述。 如果认真的学过课本中的相关内容就会发现，其实站在相对性的角度上说，上面的说法只是以参照系收看到的现象。并不是运动系统上看到的现象。这种说法使很多并没有真正理解相对论的人产生了误解，或者说上面的说法误导了没有学过相对论的人的思路。   上图中a是相对o以速度v运动的惯性系。b是a上的一点。 在a与o重合的时刻，一光子从a垂直向上射出，经过t' 的时间到达b，光子的路程是ct'。在o为参照系看，光子的路径是ct，并且在t 时间内a移动了vt的距离。 三个距离的关系是： (ct')²＋(vt)²＝(ct)² 解出t' 就是：t'＝t×√(1－v²/c²)   这个公式不加解释就会让人感觉运动的惯性系上的时间变慢了，但是好好看看上面的图会发现什么？ 速度v对ct' 没有任何影响，受v影响的只是ct 。 也就是说，实际上是静止的参照系上观测到t 的数值变快了，洛伦兹变换的意义在于修正这个测量值，而不是修正运动系统上的t'。   如果还不好理解，我们再用下面的例子来说明一下： 假如你在路边的椅子上看书，你相对你坐的椅子是静止的。 相对旁边走过的行人，你的速度可能是1.3米/秒 相对路上驶过的汽车，你的速度可能是13米/秒 相对正在起飞的飞机，你的速度可能是130米/秒 相对正在飞行的炮弹，你的速度可能是1300米/秒 相对宇宙空国际间站，你的速度可能是13000米/秒 相对一颗掠过的流星，你的速度可能是130000米/秒 …… 因为可以指定无数个参照系，所以你可以有无数种速度。每个参照系上观察你的情况都不同，而你自己始终不变，你在看书和旁边有没有人起跑有什么关系？和有没有飞机有什么关系？在那些参照系上看到你的时间不同，你会跟谁的观测结果变？其实你根本不在乎任何一个参照系上说你的时间变快了还是变慢了。变快变慢是它们的看法，和你无关。 上面是狭义相对论的主要内容，中学学的相对论内容主要计算题也只限于狭义相对论部份。   广义相对论中涉及了更普遍的相对性问题，主要是非惯性系的问题。 中学介绍的广义相对论内容只讲了一些简单的概念和结论，并没有复杂的计算题。 我们知道速度是相对的，那么加速度也一定是相对的。比如两个同时在做自由落体运动的系统，互相以自己为参照系的时候，观测对方就是惯性系。在这里，重力没有了，加速度消失了，引力场强度变成了0。显然我们看到的加速度也是相对的。那么加速度是相对的，f＝ma  显然力也是相对的，速度是相对的，动能就是相对的。一切实在的结论必须依附于指定的参照系才有意义。   但是，假如我们的宇宙中只有两个质量不同的天体，没有任何其他的参照系的情况下，两个天体因引力互相加速靠近，引力是相同的（力和作用力大小相等），加速度是相同的，质量为什么不同？显然，质量也是相对的。   f＝ma换个写法就是 a＝f/m ，加速度＝引力场强度（单位质量所受的引力）。   f＝ma两边乘上距离就是功，也就是能量总和。e＝fs＝mas＝mv²，前面说了，单独一个物体不存在速度，或者说速度是任意值，所以这里的v代表的是一个量纲，而这个量纲必须是相对任何物体都恒定不变的值，因此，这里的v就是相对任何系统都不变的光速c。 因此质能公式就是e＝mc²。