让初中生看得懂相对论

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1、让初中生看得懂相对论（1）狭义相对论是是根据两条原理导出的，这两条原理是:　　1.相对性原理。即在所有的惯性参考系中，一切物理定律都有其相同的表达形式。　　2.光速不变原理。记载所有的惯性参考系中，所测得的真空中的光速都是一样的。　　现在具体解释一下这两条原理。　　相对性原理:这一条的意思是，如果你在一个区间里做实验，无论这个区间是静止的还是在做10米/秒或者30千米/秒的匀速直线运动结果都是一样的。　　打个比方来说，你在一节封闭了窗户的火车车间里做实验，无论火车是停在车站上还是正在笔直的铁轨上做时速200公里的匀速运动，结果都是一样的，你无法区分火车是静止在车站上，还是在

2、笔直的铁轨上做时速100公里还是时速300公里的匀速运动。　　火车静止时，你在该车间内可以视作在一个惯性系内，火车在笔直的铁轨上匀速前进，你在该车间内可以视作在另一个惯性系里，你在这两个惯性系里做同样的物理运动效果是等效的。你要测试你的跳远成绩，在前一个惯性系里一跳离起跳线2米五，在后一个惯性系里同样一跳还是离起跳线2米五。　　那有人说了，我在火车加速的时候做那结果肯定不一样了，是的结果肯定不一样，不过那就不属于惯性参考系的比较了。　　光速不变原理：这个原理的意思是，对于真空中的光速，无论你静止还是运动与否，你测得光速都是一样的。即如果真空中有一束光从你头顶穿过，无论你相对

3、于光源静止，还是相对于光源在做10千米/秒的匀速直线运动，你看到的光速都是一样的。　　我们用C来表示真空中的光速。想象一下，你站在太空的宇宙真空中，在你前方的左边有一个光源（比如说一个激光器），它在你眼前从左到右发出一束光，你测的光速是C；现在你正在以速度V向右远离该光源或者该光源正在以速度V向左远离你，你测眼前的那束光的速度将还是C,而不是C－V。　　这就是光速不变原理。　　整个狭义相对论就是根据以上两条原理导出的，这两条原理就是狭义相对论的基础，如果你能推翻这两条原理的其中任一条，就可以推翻整个狭义相对论，如果你能总结出这两条原理的适用范围，你也就总结了一个狭义相对论的

4、适用范围。运动的尺变短      让我们来推导出相对论第一个公式。   想象一下有两把尺子，你可以低头看一下你的桌面，想象一下，这是一把尺子，从你的口袋里掏出一张卡片放在桌子上，这是你另一把尺子。   你手中的卡片正在从桌子的左边一端以速度v向另一端桌子右边做匀速直线运动，对于桌面来说，卡片是正在做速度为v的匀速直线运动，对于卡片来说，桌面正在做速度为v的匀速直线运动。   我们假定物体因为运动，他的尺寸在我们那里测量会发生变化。   我们假定相对于我们是运动的物体会因为运动，我们测量他的尺寸读取的数据跟他自己用同样尺子测量自己的尺寸相比会发生变化。   现在想象一下桌子是

5、一把尺子，它的最左端是零刻度，它同时还安有一个计时器；卡片是另一把同样规格的尺子，它的零刻度也在最左边，它也安有同样规格的一个计时器。   卡片在相对桌面做从左到右的匀速直线运动，同样对于卡片来说，桌面相对它也在做匀速直线运动。   在这两把尺子零刻度重合的一瞬间，它们各自计时器开始计时。   对于卡片这把尺子上任一点，你可以干脆选取这一点就在卡片的右端。   对于桌面来说我们测量这一点距卡片左边的长度为   x-vt     其中x为桌面尺测量的该点距桌面左端的距离，t为桌面计时器计量的卡片上该点运动到此位置所需要的时间。   同样道理，换成用卡片的尺子测量该点距桌面左端

6、的距离为   x'+vt’    其中x'为卡片尺测量的该点距卡片左端的距离，t'为卡片计时器计量的计量的卡片上该点运动到此位置所需要的时间。   假定相对于我们是运动的物体会因为运动，我们测量他的尺寸读取的数据跟他自己用同样尺子测量自己的尺寸相比会发生变化。我们假设运动尺和静止尺测量同一物体尺寸数据的比例为k   对于桌面来说，自己是静止的，卡片是运动的,所以我们可以得出   x'=k(x-vt)          (1)   对于卡片来说，自己是静止的，桌面是运动的，所以可以得出   x=k(x'+vt')       (2)   我们假设卡片尺的零刻度在跟桌面尺的零刻

7、度重合开始计时的那一时刻，他们的重合的边缘发出自左向右的一束光，根据相对论成立条件的假设，无论对于卡片和桌面，光速都是c.   我们想想该光束是一个光子，光子经过该点时，可以得出   对于桌面   x=ct      （3）   对于卡片   x'=ct'      (4)   这样我们把这4个式子放到一起，就是一个方程组     我们来解这个方程组(1)式等号两边分别乘以(2)式等号两边可得xx'=k²(xx'+xvt'-x'vt-v²tt')                    (5)把（3）式和（4）式代入