在惯性系K中,有两个事件同时发生在 x轴上相距1000 m的两点,而在另一惯性系K′(沿x轴方向相对于K系运动)中测得这两个事件发生的地点相距2000 m.求在K'系中测得这两个事件的时间间隔.
题目解答
答案
5.77×10-6 s
解析
考查要点:本题主要考查狭义相对论中的洛伦兹变换及其应用,特别是同时性的相对性和长度收缩效应。
解题核心思路:
- 明确事件在不同惯性系中的坐标关系:利用洛伦兹变换将K系中的事件坐标转换为K'系中的坐标。
- 抓住关键条件:K系中两事件同时发生(时间差Δt=0),但空间间隔Δx=1000m;K'系中空间间隔Δx'=2000m,需求时间间隔Δt'。
- 联立方程求解:通过Δx'与Δx的关系求出洛伦兹因子γ,再结合速度v计算时间差Δt'。
破题关键点:
- 洛伦兹变换公式是连接不同惯性系的核心工具。
- 同时性的相对性导致K'系中两事件不再同时,时间差由相对运动速度决定。
步骤1:建立洛伦兹变换关系
设K'系沿x轴方向以速度v相对于K系运动。根据洛伦兹变换,事件坐标转换公式为:
$x' = \gamma (x - vt), \quad t' = \gamma \left( t - \frac{v x}{c^2} \right)$
其中,$\gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - v^2/c^2}}$为洛伦兹因子。
步骤2:分析K系中的事件性质
在K系中,两事件同时发生,故时间差$\Delta t = t_2 - t_1 = 0$,空间间隔$\Delta x = x_2 - x_1 = 1000 \, \text{m}$。
步骤3:求K'系中的空间间隔
在K'系中,空间间隔为:
$\Delta x' = \gamma \Delta x$
代入$\Delta x' = 2000 \, \text{m}$,$\Delta x = 1000 \, \text{m}$,得:
$\gamma = \frac{2000}{1000} = 2$
步骤4:求相对速度v
由$\gamma = 2$,联立$\gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - v^2/c^2}}$,解得:
$v = \frac{c \sqrt{3}}{2}$
步骤5:求K'系中的时间间隔
在K'系中,时间差为:
$\Delta t' = -\gamma \frac{v \Delta x}{c^2}$
代入$\gamma = 2$,$v = \frac{c \sqrt{3}}{2}$,$\Delta x = 1000 \, \text{m}$,得:
$\Delta t' = -\frac{2 \cdot \frac{c \sqrt{3}}{2} \cdot 1000}{c^2} = -\frac{1000 \sqrt{3}}{c}$
取绝对值得最终时间间隔:
$\Delta t' = \frac{1000 \sqrt{3}}{c} \approx 5.77 \times 10^{-6} \, \text{s}$