题目
在S系中一次爆炸发生在坐标(x,y,z,t为6,0,0,10-8处,S系相对S系以0.8c的速度沿x轴正向运动,在t=t=0时两参考系的原点重合,求S中测得该爆炸的坐标(6,0,0,108d=ya-ut4在一个惯性系中两个事件同时发生在距离Ax的两地,在以速度u与此惯性系作相对运动的另个惯性系中测得这两个事件的时间差为u△x△t′=γ(△t
在S系中一次爆炸发生在坐标(x,y,z,t为
6,0,0,10-8处,S系相对S系以0.8c的速度沿x轴
正向运动,在t=t=0时两参考系的原点重合,求S
中测得该爆炸的坐标(6,0,0,108
d=ya-ut
4在一个惯性系中两个事件同时发生在距离Ax的
两地,在以速度u与此惯性系作相对运动的另
个惯性系中测得这两个事件的时间差为
u△x
△t′=γ(△t
题目解答
答案

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,特别是坐标变换和同时性的相对性。
解题核心思路:
- 第一部分:利用洛伦兹变换公式,将S系中的事件坐标转换为S'系中的坐标。需注意相对运动速度方向和单位一致性。
- 第二部分:根据相对论中同时性的相对性,分析两个事件在不同惯性系中的时间差。关键点在于原系中事件同时但空间分离,导致另一系中出现时间差。
破题关键点:
- 洛伦兹变换公式的正确应用,尤其是时间分量的变换。
- 同时性的破坏:原系中同时的事件,在相对运动系中不再同时,时间差由相对速度和空间距离决定。
第一部分:坐标变换
-
洛伦兹变换公式:
$\begin{cases} x' = \gamma \left( x - ut \right) \\ y' = y \\ z' = z \\ t' = \gamma \left( t - \dfrac{u x}{c^2} \right) \end{cases}$
其中,$\gamma = \dfrac{1}{\sqrt{1 - \dfrac{u^2}{c^2}}}$,$u = 0.8c$。 -
计算$\gamma$:
$\gamma = \dfrac{1}{\sqrt{1 - \dfrac{(0.8c)^2}{c^2}}} = \dfrac{1}{\sqrt{1 - 0.64}} = \dfrac{1}{\sqrt{0.36}} = \dfrac{5}{3}.$ -
代入坐标$(6,0,0,10^{-8})$:
- 空间坐标$x'$:
$x' = \dfrac{5}{3} \left( 6 - 0.8c \cdot 10^{-8} \right).$
注意单位一致性:若$x$单位为米,$t$单位为秒,则$0.8c \cdot 10^{-8} = 0.8 \cdot 3 \times 10^8 \cdot 10^{-8} = 2.4$米,故:
$x' = \dfrac{5}{3} (6 - 2.4) = \dfrac{5}{3} \cdot 3.6 = 6 \, \text{米}.$ - 时间坐标$t'$:
$t' = \dfrac{5}{3} \left( 10^{-8} - \dfrac{0.8c \cdot 6}{c^2} \right) = \dfrac{5}{3} \left( 10^{-8} - \dfrac{4.8}{c} \right).$
由于$c = 3 \times 10^8 \, \text{m/s}$,$\dfrac{4.8}{c} = 1.6 \times 10^{-8}$,故:
$t' = \dfrac{5}{3} (10^{-8} - 1.6 \times 10^{-8}) = -10^{-8} \, \text{秒}.$
- 空间坐标$x'$:
第二部分:时间差计算
- 原系中事件特性:两个事件同时($\Delta t = 0$),空间距离$\Delta x$。
- 相对运动系中的时间差:
$\Delta t' = \gamma \left( \Delta t - \dfrac{u \Delta x}{c^2} \right).$
代入$\Delta t = 0$,得:
$\Delta t' = -\gamma \dfrac{u \Delta x}{c^2} = -\dfrac{u \Delta x}{c^2 \sqrt{1 - \dfrac{u^2}{c^2}}}.$