已知在运动参照系(S')中观察到静止参照系(S)中的米尺(固有长度为1m)和时钟的一小时分别为0.8m和1.25小时,反过来,在S中观察S'中的米尺和时钟的一小时分别为()A. 0.8 m,0.8 小时B. 1.25m,1.25 小时C. 0.8 m,1.25 小时D. 1.25m,0.8 小时
A. 0.8 m,0.8 小时
B. 1.25m,1.25 小时
C. 0.8 m,1.25 小时
D. 1.25m,0.8 小时
题目解答
答案
解析
本题考查狭义相对论中的长度收缩和时间膨胀效应。解题的关键在于理解这两个效应的相对性,即两个相对运动的惯性系中,彼此观察对方的长度会收缩,时间会膨胀,且收缩和膨胀的比例是相同的。
1. 分析长度收缩效应
在狭义相对论中,长度收缩公式为$L = L_0\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}$,其中$L_0$是固有长度(在物体静止的参照系中测量的长度),$L$是在相对物体运动的参照系中测量的长度,$v$是两个参照系的相对速度,$c$是真空中的光速。
已知在运动参照系$(S')$中观察到静止参照系$(S)$中的米尺(固有长度$L_{0S}=1m$)长度为$L_{S'}=0.8m$,根据长度收缩公式可得:
$L_{S'}=L_{0S}\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}$,即$0.8 = 1\times\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}$,由此可算出$\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}} = 0.8$。
反过来,在$S$中观察$S'$中的米尺(固有长度$L_{0S'}=1m$),同样根据长度收缩公式,此时$S$相对于$S'$运动,所以$S$中观察到的$S'$中米尺的长度$L_{S}$为:
$L_{S}=L_{0S'}\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}} = 1\times0.8 = 0.8m$。
2. 分析时间膨胀效应
时间膨胀公式为$\Delta t = \frac{\Delta t_0}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}}$,其中$\Delta t_0$是固有时间(在事件发生地静止的参照系中测量的时间间隔),$\Delta t$是在相对事件发生地运动的参照系中测量的时间间隔。
已知在运动参照系$(S')$中观察到静止参照系$(S)$中的时钟的一小时(固有时间$\Delta t_{0S}=1$小时)变为$\Delta t_{S'}=1.25$小时,根据时间膨胀公式可得:
$\Delta t_{S'}=\frac{\Delta t_{0S}}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}}$,即$1.25 = \frac{1}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}}$,由此可算出$\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}} = \frac{1}{1.25}=0.8$。
反过来,在$S$中观察$S'$中的时钟的一小时(固有时间$\Delta t_{0S'}=1$小时),同样根据时间膨胀公式,此时$S$相对于$S'$运动,所以$S$中观察到的$S'$中时钟的一小时的时间间隔$\Delta t_{S}$为:
$\Delta t_{S}=\frac{\Delta t_{0S'}}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}}=\frac{1}{0.8}=1.25$小时。