狭义相对论的几何表示

文中提出了一种狭义相对论的几何直观表示方法,从而导出众所熟知的洛仑兹变换;并由此说明时间、长度的相对性,和导出运动粒子质量随速度变化的公式,这种方法较其它说明或推导方法直观而简单。 一、前言 在狭义相对论的文献中,对时空的几何表示有两种方法[1-2],第一种方法为闵可夫斯基几何方法,惯性系S以(x,ct)组成直角坐标,而相对于S系以匀速υ沿x方向运动(在t=t’=0时原点重合)的惯性系S’则以斜坐标(x’,ct’)表示(图1),两坐标系的坐标轴夹角φ1=tg’-1(　),其中c为光速。在这种表示法中,质点的位移在S和S’系中若要用同一世界线表示时,…     

闵氏几何法解析“双生子佯谬”及结果讨论

在闵可夫斯基四维时空中利用二维坐标图解析了双生子效应.特别对飞船转向所引起的同时线跃变而导致的地球人年龄的跃变作出了定量解析,得出了孪生子重逢时经历过加速运动的飞船人比可以看作为惯性系的地球人更年轻的绝对性结论.然后通过对解析结果的讨论并辅之以数值计算,给出了飞船往返飞行的两个不同阶段及全程在两个不同参考系的具体的观测结果.     

浅谈牛顿定律与参考系

对牛顿定律与参考系之间的关系作简要的梳理. 首先, 由牛顿第一定律着手, 分析惯性参考系与非惯 性参考系的本质区别. 再基于对牛顿第二定律的理解, 从“ F=m( a相 +a参) ”与“ F-m a参 =m a相”两式的区别与联 系出发分析惯性参考系与平动非惯性参考系的关系, 并对转动非惯性参考系中各惯性力的物理意义作展开解释. 最后, 指出牛顿第三定律与参考系的选取无关     

《广义相对论入门讲座》连载④——度规张量

1度规张量的引入在三维平直空间中,在直角坐标系里,两点之间的距离dl可表示为dl2=dx2+dy2+dz2(1)变换到另一个直角坐标系,它变为dl2=dx′2+dy′2+dz′2(2)如果选用球坐标系,则为dl2=dr2+r2dθ2+r2sin2θd2(3)     

从爱因斯坦火车到洛伦兹变换

爱因斯坦火车是狭义相对论中展示同时性的相对性的经典模型, 爱因斯坦利用该模型证明了“ 同时性 的相对性” . 在狭义相对论中, 空间和时间并不相互独立, 而是一个统一的四维时空整体, 不同惯性参考系之间的时 空坐标变换关系式与洛伦兹变换在数学表达式上是一致的, 通过分析爱因斯坦火车模型中光在不同惯性参考系内 到达车壁的时间, 利用简单的数学变换更加容易地得到了洛伦兹变换, 从而验证了洛伦兹变换在狭义相对论的核 心地位     

用时空代数推导狭义相对论的任意方向加速度变换

时空代数(Space-time Algebra,STA)是定义在4维实Minkowski矢量空间M~4上的16维几何代数(Geometric Algebra,也称为Clifford代数)Cl_(1,3),是一个可结合的代数环,它提供了不依赖于特定标架描述四维时空的方法.本文采用时空代数,给出推导狭义相对论中沿任意方向作相对运动的惯性系之间加速度变换的一种简单方法.     

《广义相对论入门讲座》连载——时间与空间

1坐标钟与标准钟对于弯曲时空的任意坐标系x~μ(μ=0,1,2,3),如果视x0为时间坐标,则以速率t=x~0/c运行的钟,叫坐标钟.t称为坐标时间.c是平直时空中的真空光速.     

变换参考系解二体问题

【题目】真空中质量分别为m₁和m₂的两个小球,只受万有引力作用,某个时刻两个小球相距l₀,小球1的速度为v₀,方向指向小球2,小球2的速度为v₀,速度方向垂直两球球心的连线,问若m₁=m₂=m₀,当速度v₀满足什么条件时,两小球的间距可以为无穷远?解法1:惯性参考系法（质心参考系）解题思路:寻找惯性参考系,分析两小球相对于惯性参考系的受力,确定两小球在惯性参考系的运动特点,直接运用牛顿运动定律或能量守恒求两小     

再论洛仑兹关系的协变性及其速度的含义

洛仑兹关系式 F=qE+qv×B通常也称为洛仑兹力公式,它与麦克斯韦方程组一起,给出了电动力学的基本规律.在宏观电磁现象中,洛仑兹力公式和麦克斯韦方程组是普遍成立的,并适用于一切惯性参考系,具有相对论协变性. 公式F=qE + qv×B中的速度v,与E=0时,公式F=qv×B中的速度v,含义完全相同,是指电荷相对于观察者的速度,也就是电荷相对于与观察者固接的参考系的速度.但最近有的作者又一次强调[1],它也是电荷相对于磁场的速度,应当把“总是误认为公式中的v是带电粒子相对于导体或磁场的速度,实际上应当是指相对于观察者的速度[2]”改为“总是误…     

"惯性系"考(续)

3 星球参考系不是惯性系 3.1 星球参考系 以星球的中心(也是它的质心)为原点,建一相对于局域惯性系的坐标架O′-x′y′z′平动的坐标架,本文称此坐标架为星球参考系.星球相对于此坐标架可以转动.     

科里奥利力产生的物理分析

在匀速转动参考系中,质点以匀速运动时,则有科氏力作用于质点上.从加速度基本定义出发,利用矢量进行分析,不仅能很容易得出科氏力,而且能清楚地看出其物理意义.现仅就下面两种特定情况加以讨论. (一)质点沿转动圆盘半径方向作匀速直线运动. 设圆盘相对于惯性系统以匀角速度绕轴转动,质点以匀速v’沿圆盘上的矢径(OP)作直线运动.(图1).大家知道,在转动参考系中,要保持质点作匀速直线运动,必须对质点施以真实力F,以抵消惯性力的作用。亦即有由于真实力与坐标系无关,它在惯性参考系中为F=ma,式中a为相对于惯性参考系的加速度.显然,求出加速度…     

追波

1追平面简谐机械波介质中的平面简谐机械波为ξ=Acosωt-xv(1)式中v为介质中的波速,波沿x轴正向传播.现沿x轴的正向以恒速u追波,因ξ是介质中的质点相对于其平衡位置的位移,故ξ不因参考系的不同而异.将伽利略变换x=x′+ut代入式(1),便得追波者所观测到的波ξ=Acosωt-x′+utv=Acosω1-vut-xv′(2)当u=v时,式(2)就变成了ξ=Acosωx′v(3)显然,追波者一旦追上了波,则他观测到的便是“只随空间振荡,不随时间振荡”的静止波了,且其波长与介质参考系中的波长相同.2追介质中的平面简谐电磁波由麦克斯韦方程组可以证明,电磁波中的E、B与传播速…     

中学物理中的时间对称性

 时间在动力学中不过是作为一个“几何参数”出现,达朗贝尔早已注意到这个特点.拉格朗日走得更远,他甚至把动力学叫作“四维几何”,这比爱因斯坦和闵可夫斯基的工作早了一百多年.     

用类比法推导爱因斯坦速度叠加公式

本文以狭义相对论的最简单的一维运动情形为例,分析了特殊洛伦兹变换在四维闵可夫斯基空间的表达形式及其转动意义,并结合类比法,推导了爱因斯坦速度叠加公式.     

用地面和地心两种参考系计算落体南偏的结果一致吗--落体偏南问题的再研究之一

不少章采用不同的方法和不同的参考系对落体偏南问题进行了讨论，并且得到了相同的结果：x=(2／3)h^2w^2cos λ/g,h,λ和w分别为落体的初始高度、纬度和地球角速度．在地面参考系中，它们仅考虑了科里奥利力对落体偏南运动的影响，也有个别章还考虑了惯性离心力对落体运动的影响，使落体的南偏结果有了较大的修正：x=(3／2)h^2w^2cosλsinλ/g，本发现了其中一些章之间存在相互矛盾的地方，并用地心参考系中落体运动的椭圆轨道严格计算了落体南偏的大小，结果为多数有关章相应结果的6倍。     

动量守恒定律应用二例

质点系动量守恒定律的内容是 :当质点系所受合外力为零 ,即 ΣF=0 ,系统总动量保持不变 ,即ΣP=恒矢量 .在应用动量守恒定律解题时应注意以下两点 :1.动量守恒定律只在惯性系中才成立 ,运用它们来求解问题时 ,要选定一惯性系作为参考系 .2 .动量是矢量 ,因此在应用动量守恒定律     

存在介质时电磁场的相对论不变量

运用闵可夫斯基空间四维电磁场张量性质,研究介质中电磁场的相对论不变量,分别就每个电磁场张量本身、多个电磁场张量之间能够构成电磁场不变量的情形,给出独立的电磁场不变量的具体形式。结果表明,存在介质时独立的电磁场不变量只有六个,其形式可分别取为：B2·（E c）2、E·B c;H2·c2 D 2、cH·D;以及B·H·E·D、cB·D＋E·H c.     

相对论的几何表述②

2.4 "尺缩"效应 质点在三维语言中是空间的一点,在四维语言中是时空中的一条类时线(世界线).同理,一把细尺在三维语言中是一段直线,在四维语言中则是一个二维面(称为世界面,是介于尺头、尺尾世界线之间的二维面)于是,在三维语言中非常明确的"尺长"概念在四维语言中变得含糊:哪条线的线长才是尺长?对熟悉四维语言的相对论工作者来说,细尺本来就不是一维的,它是个二维对象.这是一个绝对的对象.与参考系、坐标系以及观者无关.为什么细尺在普通语言(三维语言)中是一维对象?因为人人都站在自己所在参考系的立场上看问题,这种看法一开头就是相对的.K系的每一同时面Σt既然代表t时刻的全空间,它与细尺世界面的交线(直线段oa,见图15)自然代表"K系测得的、t时刻的细尺".     

引力改变了时空——从欧几里得空间到准黎曼空间

 爱因斯坦在1905年所建立的狭义相对论建立了高速运动下的时空变换,这种变换是局限在惯性系之间的,这正是“狭义”的涵义。作为狭义相对论的推广,爱因斯坦从1907年开始努力尝试将相对性理论推广到非惯性系。他在研究了引力场与加速系关系的基础上,于1916年在德国《物理学杂志》上以“广义相对论基础”为题正式发表了广义相对论。广义相对论的诞生进一步更新了我们对空间、宇宙的认识观念。从平直均匀的欧几里得3维空间,到闵可夫斯基的4维空间,再到弯曲的黎曼空间,独立于时间与物质的“绝对空间”概念被彻底地打破了。     

《从零学相对论》连载⑥

§3.6时序和因果关系以p1和p2分别代表某人的出生和死亡事件,设它们在某惯性系K≡{t,x,y,z}的时间坐标为t1和t2,则显然有Δt≡t2-t1>0(出生先于死亡).设p1和p2在另一惯性系K’={t’,x’,y’z’}的时间坐标为t’1和t’2.如果牛顿力学适用,由时间的绝对性可知t’1=t1,t’2=t2,故Δt’≡t’2-t’1=Δt>0,仍是出生先