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狭义相对论的若干问题

狭义相对论的若干问题

`    1、到底是谁的钟变慢了?
      如图,S和S'是两个惯性参照系,S以速度u相对于S沿x轴方向运动,按惯例我们一般把S叫静系,把S叫动系。静系S上固定着两个钟P和Q,两者都在x轴上,P钟在S系的坐标原点上。动系S上的坐标原点上固定着一个钟A,运动方向沿x轴正方向。S系和S系的x轴和x'轴共线,y轴与y'轴始终平行,图中为不使图象重叠有意将x轴和x'轴错开,A钟和P钟也没有严格的画到坐标原点上。另外假设在两个坐标原点O和O重合的瞬间钟A和P都恰好开始计时,即A和P相遇时A和P的读数是0。另外S系中的人员已将P和Q这两个钟对准,走时分毫不差。
      为了使问题便于理解,假定A、P、Q都是同厂出品的一种特制的纳秒钟表,如下面的第二个图所示。指针每转一圈表示是20纳秒,即2×10-8秒。
      若S相对S以速度u=0.6c运动,在S系上测的P、Q之间的距离是L=1.8米,求以下各小题:
      
       (1)、从A、P相遇到A、Q相遇,在S系看来经过了多长时间?在S系看来经过了多长时间?
       (2)、A、P相遇时,S系的观察者看到的Q终的读数是多少?而S系看到的Q钟的读数是多少?
       (3)、从A、P相遇到A、Q相遇,在S系的人看到A钟慢了多长时间?
       (4)、从A、P相遇到A、Q相遇,在S系的人看到P钟经过了多长时间?是比 S中的钟快了还是慢了?Q钟呢?
       解: 此题中       下面将直接应用此结果。
       (1)、从S系看,P、Q之间的距离是L=1.8米,而钟A相对与S系的速度与S相对与S的速度是一样的,都是u=0.6c,所以从A、P相遇到A、Q相遇,在S系看来经过的时间是
            
即,从A、P相遇到A、Q相遇,在S系看到P钟和Q中的读数都是从0s变化到了10ns,如下图所示。
           

      从A、P相遇到A、Q相遇,在S系看来经过的时间是不一样的。下面用两种方法进行计算。
      方法1、注意到P、Q之间的距离L=1.8m是在S系中的测量结果,P和Q相对于S系是静止的,相对于S是运动的,运动速度是-u,根据尺缩效应,在S系中测量P、Q之间的距离是
              
即在S系看来,当A、P相遇时,钟到Q的距离是14.4m。也可以说,在S系看来,从A、P相遇到A、Q相遇,Q通过的距离是L'=1.44m。因为Q相对于S的速度是-u,方向沿-x'。所以从A、P相遇到A、Q相遇,在S系看来经过的时间是
              
这也是A钟和Q钟相遇时,A钟的读数,如上图所示。
      方法2、从A、P相遇到A、Q相遇,在S系看来经过的时间是taq =10ns,而对S系而言,A钟是运动的钟,根据钟慢公式 ,可列出           
               

得            
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`    (2)、因为P钟和Q钟是S系中的人对好的钟,所以任一时刻,S系中的人会看到本系中的所有钟都指示着同一时刻。所以A、P相遇时S系中的人看到Q钟的读数和P钟一样,读数都是0。上楼的第一个图就是这一情况。
      下面看A、P相遇时在S系看到Q钟的读数是多少。因为在S系对准的钟P、Q在S系看来并非是对准的,所以A、P相遇时,S系中的人看到Q种的读数一定不是0。
      在A、P相遇时,发生在Q钟上的事件记为F1q,事件F1q在S系的时、空坐标我们表示为
              t1q   ,             x1q=1.8m
应用洛仑兹变换公式,可得出事件F1q在S系中的时间坐标是
                        可得   
此结果说明,A、P相遇时,在S系中看到的P钟和Q钟的读数并不一样,看到P的读数是0,而Q的读数是3.6ns。这是因为在相对论中,同时性是相对的,在S中同时的两个事件,在S中并非是同时的。比如此题中,A、P相遇事件和Q读数为0时间在S系中是两个同时事件,可是在S看来他们并不是同时发生的事件,在S看来和A、P相遇时间同时发生的钟表Q的时间应该是Q读数是3.6ns事件。

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