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学以致用,看洛伦兹变换如何推导出-——相对论的速度变换定律

2024-03-24科学

「学以致用」,而不是仅仅停留在书本上,是一种良好的学风。这样不仅可以检验我们是否真的理解了所学的知识,还可以加深、巩固、提高我们的认知能力。事实是我们已经迈出了第一步:「破除迷信,以洛伦兹变换证:爱因斯坦的「相对性的同时性」是错的」,就是一个应用。

相对论的速度叠加定律,也是一个不错的应用。虽然爱因斯坦在【相对论】1·13节「速度相加法则 裴索试验」,给出了同向运动的公式,但不够清晰完整。

假定在火车、路轨的例子里,一切照旧:但火车自右向左以速度 u 匀速行进。

洛伦兹

我们仍然认为火车是静止的。在同时认定的左参考点A (A'),做两个参考系的坐标原点O (O'),并在原点处放置时钟。向右为坐标轴x(x')方向;同时一个物体沿路轨正方向以匀速 运动。物理学中对于做惯性运动的物体,常以其质量中心——质点运动来表征。

在火车K'系 t' 时运动位移了x' 到达了 B'点,在路轨K系则是相对自己的原点运动了 t 时,位移了x.到达了 B 点,物体是同一个物体,其质点空间位在点只能是同一个,所以 B点 B'点是重合的。 则有:

t ,同时相对运动离开左参考点初始位,位移了 ut.如此,也即运动物体在这一过程总共位移了:


而依据相对性原理,该物体相对火车K'系也是匀速运动,它的运动方程和对路轨K系是有相同的形式:(同时不同值的时间值,由各自参考系原点处的授时时钟,赋予时间值)

t',是 运动物体在这一过程,对于 火车K'系的 位移。而 对于同向运动的一个过程的两个方面:同一段距离、时间,洛伦兹变换我们有:

,

。两式左、右两边分别相除,有:

. 该式的左边

,表示了这段时间的运动速度,所以:

. 即得出了同向运动时的速度相加法则。

将上式的「+」理解为代数和,更为有益。因为速度是个向量,对于相对运动是与坐标轴反向的情况 ,「加负等于减正」 ,我们立即有:

以上的情况是两个系统在 坐标 轴x(x')重合时,该方向有相对运动,并且运动物体的运动也发生在该方向上。一般而言如果两个惯性系统,相应坐标轴彼此平行, K'系 相对 K系在 x方向有速度 u,若 运动物体相对 K'系的速度可用它的三个分量表示:

, 运动 物体相对 K系 的速度,则 可用它的三 个分量表示

。二者之间存在关系:

, ...(1)

,...(2)

...(3)

容易看出(1)式是前面公式的移植;(2)、(3)式是对洛伦兹变换基本式(2)式

、(3)式

,引用了时间表达式

,左右两边 两边分别做了个除法而已。对于相对运动是反向时,只需将相对运动的方向符号「-」带上即可。