本站小編為你精心準備了狹義相對論教學問題參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《物理教師雜志》2014年第六期

1超光速問題

光速是宇宙中最快的速度，是狹義相對論的基本信條．超光速是人們一直想找到的現象，資料顯示：在天文觀測方面，已觀測到60多個超光速射電源（類星體），它們的膨脹速度一般都達到光速的數倍甚至幾十倍，例如類星體3C345中兩個子源的分離速度超過45倍．從數據上看似已經找到了超光速，但這并不是狹義相對論所定義的速度，狹義相對論所謂的速度必須是對實物粒子進行當時當地測量而得的，因為不同時不同地測得的速度、時間等概念已經沒有意義．速度有很多種，比如拿著一只激光筆射向遠方的一堵墻，然后轉動激光筆，那么墻上的光斑就會迅速地移動，如果距離足夠遠的話，光斑的移動速度就可以超過光速，但這樣的速度顯然不是我們想要的速度，因為狹義相對論要求的速度必須能攜帶信息，比如光或任何實物粒子都可以攜帶信息，但光斑的移動以及射電源星體的分離速度是不能傳遞信息的，它只是一種概念上的速度．

2運動的相對性及參考系的平權問題

運動的相對性在中學參考系一節中就講到，人們普遍認為根據運動的相對性，加速運動也是相對的，實際上加速運動并不是相對的，因為一個真正做加速運動的物體必須受到一個力源的作用，它并不是不可區分的．比如在兩觀者的身上各放一個彈簧振子，通過觀察對方的彈簧振子有沒有發生形變就可判斷誰在做真正的加速運動，加速運動的不可相對性是理解雙生子效應的關鍵．其次，狹義相對性原理說一切慣性系平權，即物理規律在慣性系中都是一樣的，說明狹義相對論只承認慣性系之間是無法區分的，而廣義相對論卻認為所有參考系都一樣，因此很多人會認為這兩個理論是矛盾的，必然有一個不對，其實這并不矛盾，因為兩套理論所研究的對象與時空背景不同．狹義相對論研究的是無引力的平直時空．廣義相對論研究的是有引力的彎曲時空，廣義相對論認為所有參考系平權是基于引力質量等于慣性質量，即引力所產生的效果與加速運動所產生的效果無法區分．比如加速運動電梯里的人并不能分辨自身的重力來自于加速運動還是引力作用，于是非慣性系就失去了特殊性，但要注意的是這種相等也僅僅是指物理規律的表達形式一致，而且是局域的等效，并不是說引力與加速的物理本質一樣．因為引力場是有源場，是匯聚的，而“加速場”是平行的，它們在全空間內不可能等效．而在狹義相對論里是沒有引力的，沒有引力，自然不涉及引力效果與加速效果無法區分的問題，自然認為非慣性系與慣性系是不平權的了．

3時光倒流問題

時光倒流問題是狹義相對論出現后，人們對于時空幻想最多的問題，因為時光倒流可以引發很多很奇特的事情，那么到底會不會發生時光倒流呢？很多人認為是可以的，因為同時的相對性告訴我們一件事發生的先后順序是相對的．比如A舉手和B舉手這一事件，在不同的觀者看來它發生的先后順序可以不一樣，可以是A先舉手，也可以是B先舉手，然而并不是這樣的．仔細一想會發現A舉手和B舉手是沒有因果關系的，即A舉手與B舉手沒有任何聯系，互不影響，這樣的時間順序當然是可以顛倒的．一旦有因果聯系的兩事件先后順序就不可能顛倒，比如A是B的母親，那么B的存在就與A有了因果聯系，一旦出現時光倒流就會出現B回到過去將其母親殺死而B到底存不存在的問題，顯然這樣的事件是科學家無法接受的．其實還可以從熵增加原理的角度來看待時光倒流問題，即封閉系統的熵（混亂程度）總是在不斷地增大，就好比用擋板把A氣體和B氣體隔開，然后抽取擋板，隨著時間的流逝A與B氣體必然會混為一團，而且時間越長會越混亂，然而時間倒流就意味著A與B氣體會自然地回到最初的狀態，這顯然不可能．再比如一座建筑物被風化后其損失的泥土分子已經散失在各個地方，并形成新的泥土被建成了另一座建筑物，依次循環，原來建筑物的泥土分子混亂度越來越大，時間倒流就意味著這些泥土分子又能自發回到原來的狀態，這是不可能的．熵其實就是時間的方向，熵增加的過程就是時間流逝的過程，熵增加原理的成立就意味著時間的不可倒流．還有人認為只要速度達到光速就可實現時光倒流，然而達到光速需要的能量是無窮大，可惜宇宙所擁有的能量是有限的，故也不可能．

4測量與觀看問題

狹義相對論里全都是測量問題，而且是對事件的當時當地測量，因此動尺收縮、動鐘變慢效應等都是測量而造成的，很多人容易理解成是觀看造成的，測量則不會發生這些效應，其實正是由于測量才會產生這種現象．首先看動鐘變慢效應，如圖2所示，要想做到當時當地測量，就必須在參考系中充滿觀者，這些觀者拿著事先校準好的鐘且只對經過自己身邊的事件進行測量．設在S系事件發生于（t1，x1）時，S′系為（t1′，x1′），此時校準好兩鐘的時間使。

5動鐘變慢與動尺收縮效應

動鐘變慢與動尺收縮效應既是一種測量效應，同時又是一種相對效應，即一定要說清楚是相對于誰而言的．如果甲相對于乙做高速運動，那么在乙看來，甲鐘是變慢的或甲尺是收縮的，反過來，在甲看來，是乙相對于甲做高速運動，則乙鐘是變慢的或乙尺是收縮的．它并不是由于鐘或尺的內部結構發生變化而引起的．值得注意的是，之所以是相對的效應是因為兩者做的都是慣性運動，處于平權對等地位，所以沒有任何一方是特殊的．對于動鐘變慢與動尺收縮效應，大家最愛問的一個問題是：到底誰變慢或誰變短？這樣的問法首先就是不對的，因為他們都是在各自的參考系下測得的結果，不能放在一起比較，比較兩物理量一定要在同一參考系下進行．

6雙生子效應

雙生子效應是問題最多爭議最多的話題，主要表現在以下幾個方面．（1）“鐘慢”效應的結論是雙方平等的，甲鐘認為乙鐘慢，乙鐘認為甲鐘慢，為什么雙生子效應的結論卻是不平等的？狹義相對性原理認為一切慣性參考系都是平權的．“鐘慢”效應由于做的都是慣性運動，自然雙方是平等的，雙生子效應中有一方做的是非慣性運動，正是這種不平等的關系導致了結果的不同．（2）加速是相對的，為什么結論是乙更年輕？加速有真加速和假加速（三維和四維）之分，前者是相對的，后者是絕對的（與觀者、參考系、坐標系的選擇無關），在三維語言里，通常的加速是指相對于慣性系的加速，當把加速運動理解為非慣性運動時指的就是這種絕對的加速運動，真正的加速運動必然要受到力的作用．（3）雙生子效應涉及加速運動，應屬于廣義相對論范疇，狹義相對論講不清楚？研究問題前一定要分清界限，區分廣義與狹義的界限在于時空背景，狹義相對論的時空背景是平直的空間（閔可夫斯基時空），而廣義相對論的時空背景是彎曲空間．（4）不知道整個過程是什么樣的，即怎樣變年輕的？解決此問題最好用時空圖，在時空圖里物體所經歷的世界線長度就是它的時間，直接比較世界線長度即可．最后值得注意的是即使乙比甲年輕，但乙并不會感到自己的時間變多了，他感覺與在地球上時是一樣的，之所以比甲年輕，只因兩者處于不同的運動狀態，兩者的時間已經不再同步了．

7質能方程

質能方程帶來的最多的問題就是關于質量轉化為能量以及質量守恒的問題．首先ΔE＝Δmc2并不是說質量可以轉化為能量，質量不能轉化為能量，核反應中釋放出來的是核子之間的結合能，不是質量轉化來的，它本身就存在于原子核中，此公式只是等量計算式．質量和能量是兩個不同屬性的物理量，反映的是物質不同的屬性，能量是反映物體對外做功本領的量度，而質量是反映物體慣性大小和引力強弱的物理量．在核反應中，質量是守恒的，能量也是守恒的，但卻不能說質量轉化為能量．其次，核反應中靜質量是不守恒的，正是靜質量的不守恒，才說明核反應中質量是守恒的，因為能量釋放后動質量增加了，質量要守恒就必須要求靜質量消失一部分，因此我們可以說核反應中，靜質量轉化為了動質量，儲藏于核子間的核能轉化為了光能和動能．

8電與磁的相對性

在大多數人眼中，電就是電，磁就是磁，它們是完全不同的東西，而且不因參考系而變．實際上電和磁是統一的整體，即電磁場，所謂的電和磁是觀者在不同參考系下測得的結果．中學物理其實已經接觸過很多電與磁相對性的問題了，只不過沒引起我們的注意．比如電磁感應現象，即變化的電場產生磁場，變化的磁場產生電場，可是變化是什么意思呢，它不就與觀者有關了嗎？假如一個觀者相對于變化的電場是靜止的，他就看不到電場在變，自然也就看不到變化電場所產生的磁場．再比如，由一個靜止電荷激發的電場叫靜電場，可是假若有觀者相對于它運動，觀者所看到的電荷就是運動的，就像導線中運動的電荷一樣，因此它的周圍應該會有磁場，這些例子都能說明電與磁的相對性．電與磁統稱為電磁場，作為電磁場它是唯一的，至于你看到的是只有電場或只有磁場或者兩者都有就完全取決你相對于這個電磁場的觀測方式。

作者：楊習志楊蒲英單位：云南省昆明市第一中學