作业帮 > 物理 > 作业

关于光速不变的问题这是一个我设计用来验证“光速不变”的理论实验,当中有一个悖论.请根据我的提问进行回答,不要复制黏贴网上

来源:学生作业帮 编辑:搜狗做题网作业帮 分类:物理作业 时间:2024/06/16 16:08:12
关于光速不变的问题
这是一个我设计用来验证“光速不变”的理论实验,当中有一个悖论.请根据我的提问进行回答,不要复制黏贴网上的其他答案.
(如图)黄色星星是检测绿色、红色、蓝色三个不同运动状态的电筒发出的光的光速检测点.绿色电筒相对黄色星星是静止的.红色电筒距离黄色星星很远,以相对黄色星星99.9%的光速速度向星星方向移动.蓝色电筒也离黄色星星很远,以相对黄色星星99.9%的光速速度飞离黄色星星.
当三束光经过黄色星星的时候,根据“光速不变”,黄色星星检测出三束光的速度也是常数c(c=299792458m/s=299792.458km/s).绿色电筒检测到自己射出的光的光速也是常数c,这个大家也觉得没有问题.对于红色电筒而言呢?虽然红色电筒是在追赶自己射出的光,但因为它在以光速的99.9%运动,所以它的时间会很慢,所以它检测到的光速也是常数c,这个也不难理解.但蓝色电筒就有矛盾了.蓝色电筒也是按光速的99.9%运动,它的时间也是像红色电筒一样那么慢.根据“光速不变”,它检测出它射出的光的光速也是常数c.问题就出现在这里,如果它检测出自己射出的光的速度是常数c的话,那么黄色星星检测出的蓝色电筒射出的光的光速就不会是常数c.而是应该小于常数c.但如果黄色星星检测出的结果是真的,那么蓝色电筒检测出的光速就应该要大于常数c.
这个矛盾到底是我理解错误,还是“光速不变”理论有问题?
关于光速不变的问题这是一个我设计用来验证“光速不变”的理论实验,当中有一个悖论.请根据我的提问进行回答,不要复制黏贴网上
光速是怎么测的?不是想当然的,而是与其他所有速度一样,看它在多长时间内通过了空间中静止的两个参考点.无论你怎么做实验,这一点是不变的.因此对于你的任何一个手电,他们检验光速都只能在他们自己的参照系里取两个静止的点来测光通过的时间.而对于你的不同的手电,他们选择的参考点肯定不一样的(因为他们速度不同,跟他们相对静止的参考点也就不一样).
  绝对坐标系是不存在的,因此你的黄星,和其他三个手电筒是完全一样的,它门的时间,也绝对不像你说的那样,蓝色的和红色的就会慢.它们变慢也都是相对的,相对蓝红,黄绿是有99.9%的光速的,这里牵扯到双生子佯谬,解释起来略微罗嗦,但是可以告诉你,你通过“时间变慢”出发对光速不变的理解是不对的.
任何两个惯性系里静止的点都是同样真实的(或同样不真实的).比如火车上一张桌子,它就是真实的静止在车厢里,虽然对地球它可能从北京跑到了上海.这一点如果你想不通,那你想地球其实在宇宙中已经跑了几万公里,太阳可能在银河系中跑了几十万公里了,银河有可能在总星系跑了.那你怎么肯定上海和北京才是真实的呢?在地球参照系里你可以测光从北京跑到上海(或者相邻两棵树)花了多少时间,在火车参照系里你测光通过两张桌子的时间确定光速.在不同的参照系你必须选用不同的参照物来确定光速.

最后我给你的建议是,不要想这些有的没的理想实验了,要想了解相对论,至少找本大学力学教材(而且绝对不推荐大学物理之类)研究下洛伦兹变换再说,你自己研究清楚了就知道问题出在哪里了.如果你是高中生,我一向的观点是,高中教材里的相对论就是误人子弟,有还不如没有,不能太认真对待.
再问: 你的意思是蓝色手电的光速只能相对蓝色手电来说,对黄星没有用?你能直接指出我的假设哪个地方出现了错误?
再答: " 虽然红色电筒是在追赶自己射出的光,但因为它在以光速的99.9%运动,所以它的时间会很慢,所以它检测到的光速也是常数c"从这里开始的理解全部错误
再问: 那么我这个假设应该要如何理解才能得出全部正确的结果呢?
再答: 假设黄星是一个空间站,一束光从红星出发,通过了黄星上的两扇门,在黄星上看,这两扇门是静止的,距离L,在红星上看,根据洛伦兹变换(或尺缩公式),这两扇门之间的距离变为L',根据最简单小学的相遇问题的公式,可以计算出光通过这两扇门的时间(这个时间不是L'/c,而恰恰是最简单的相遇问题的结果L'/(c+v),这也就是我上面说的,你测速度的时候一定要用本参照系中静止的点,而不能用运动的点,否则结果就变成相遇问题了),然后根据洛伦兹变换公式,可以算出在黄星上看光通过这两扇门的时间,结果就是L/c.对于蓝星,有同样的计算结果。(细节上相遇问题变成了追及问题,但洛伦兹变换里也有些改变,最后结果还是一样),所有这些,你亲自用洛伦兹变换算下就清楚了。而这里所有的计算过程中,用到了尺缩公式,但没有用到钟慢效应。 最后说一个有关的问题,假如地球和比邻星(假设相对静止,距离为L),分别由两艘飞船以速度v1,v2出发,则在地球上的人看来,他们是在什么时间相遇的呢?很简单,就是L/(v1+v2),小学相遇问题结果照样对。出问题的是,两艘飞船上的人的时间并非如此,从一艘飞船看另一艘飞船的速度也不是v1+v2,而是由相对论速度变换公式给出,这也一样可以通过洛伦兹变换证明。
再问: 对于“卓韦之光”的回答和我对他的追问有什么见解?
再答: 要我用洛伦兹变换直接算给你看吗? 用蓝色的比较好说一点,因为这直接可以套用洛伦兹变换公式(两个惯性系原点互相远离),红色的话两个惯性系原点互相靠近,符号上要稍微处理下。方便起见我用y代表1/[1-v^2/c^2]^0.5 设蓝色手电筒发出的光在自己的参照系里速度为c,黄星上有相距L的两扇门,则根据洛伦兹变换,其在蓝色手电筒参照系中距离L'=L/y 在蓝色手电筒里光通过这两扇门的坐标记为(x1',t1')(x2',t2') 则有最简单的追及问题,得。t2'-t1'=L'/(c-v),x2'-x1'=c(t2'-t1') 则在黄星上看这两个事件发生的时间差 t2-t1=y(t2'-vx2/c^2)-y(t1-vx1/c^2)=y(t2'-t1'-v(x2'-x1')/c^2)=y(t2'-t1')(1-v/c)=y*L/y(c-v)*(1-v/c)=L/c 也即如果在蓝色手电筒自己的参照系里光速为c,则其在黄色参照系里光速依然为c,反之亦然。 关于红色手电筒,几乎是一样的计算,稍微注意下符号即可。 钟慢尺缩是洛伦兹变换在某些特殊情况下的特例,在自己不了解这两个公式使用条件的时候不要乱用。老老实实用洛伦兹变换才是正道。做得多了你才会有经验什么时候可以用钟慢尺缩公式简化计算,比如我这里一开始就直接用了尺缩公式,而通篇没有用到钟慢公式。你么两个人讨论了半天,结果就是拿了个式子不管三七二十一在那胡乱解释。如果你看懂了上面的推导并且能自己写出红色手电筒的情况,就会发现你追问“卓韦之光”的问题根本就不成问题。
再问: 还是有点难以理解,这样吧,这时最后的追问,回答完这个就悬赏到100或更多.现在绿色和红色电筒不要了,只要蓝色电筒,但蓝色电筒前后也会发光.电筒前后两束光对于电筒来说速度是c,监测点检测出两束光的速度也是c,那么通过洛伦兹变换按光速不变计算向左发出的光的速度所推算出电筒的钟慢尺缩,和计算向右发出的光的光速所推算得出的电筒的钟慢尺缩,是相同的吗? 如果通过洛伦兹变换推出两个结果相同,那么你能从逻辑上解析一下吗?
再答: 尺缩公式是一样的,钟慢公式根本不成立。你有看出来整个推导过程中比钟慢公式多出来什么了吗?就是洛伦兹变换下的x‘v/c^2,在钟慢公式里必须有x1'=x2’,于是前后两项可以消掉,也即在带撇的参照系里两个事件必须是在同一点发生才可以用钟慢公式,而无论在那个参照系里,你测速度总是在分立的两点上测(除非速度为0),无论如何也不能放到同一点上去,钟慢公式根本就不会成立。 在相对论里考虑运动学的问题,如果没把握,那么就一定从两个最基本的东西出发,第1,假设事件,事件的发生与否是绝对的,比如说光通过了某扇门,在不同参照系里发生的时间地点很可能是不同的,但是光通过了门这个事件总是发生的;第2,把要考虑的事件的时空坐标写出来,做洛伦兹变换。 至于钟慢和尺缩,我可以给你稍微讲点。尺缩比较简单,运用的前提就是,在一个参照系中与参照系始终相对静止的两个物体间的距离在另一个参照系中的长度会变短,这里注意的前提是要求始终相对静止,如果这两个物体有相对运动,就不能贸然用尺缩公式。原因是,两个物体间的距离,是在一个参照系中同时测量这两个物体的坐标,而由于同时的相对性,在另一个参照系里同时看这两点的坐标的事件在原来静止参照系里可能发生在不同时刻,只有这两点间距离始终没发生变化,洛伦兹变换过去才会对。举例说明,你的例子里蓝色手电和黄星之间的距离就绝对不能用尺缩公式。钟慢的话,比较罗嗦,简单的说是跟着参照系一起动的钟会慢,但是这是怎么变慢的呢?这就牵扯到相对论里怎样对钟的问题。狭义相对论里只有两种情况可以对钟:1)两个相对静止的钟,可以通过光信号校准。2)当两个钟有相对运动时,在它们重合的瞬间可以对准。举例说明,一艘飞船从地球开往月球,假设地球月球相对静止,可看作惯性系,然后起始把两个钟分别放在地球和月球上,用光信号校准(情况1),飞船出发时和地球钟校准(情况2),然后飞船跑到了月球,发现飞船上的钟比月球上的钟慢了(情况2),这就是一般说的钟慢;此时如果飞船继续前进,那么问飞船上的钟和地球上的钟相比,快了还是慢了,是一个无意义的问题,只有当飞船停下来静止在月球上时(情况1),才可以通过光信号比较它和地球钟的快慢,这时可以说它是慢了。同样在你的问题里问,蓝色手电的钟和黄星上的钟哪个慢也是无意义的问题。
再问: 感觉你理解错了,我的意思是,根据相对论,物体越接近光速,质量越大,时间越慢,长度越小。然后我假设现在这个蓝色电筒相对于绿色电筒的情况就是已经,质量很大,时间很慢,长度很小了。但根据“光速不变”蓝色电筒测量出自身的前后光速都是c的,而黄星测量出的左右光速也是c,但这样的话从逻辑上来说是行不通的。从逻辑上,只有蓝电筒自己测得其后端发出的光的速度大于c,黄星才有可能测到左右的光速都是c。你能作出解析吗?
再答: 从逻辑上看,你的前提就全都错了,还用得着看推理吗?我已经告诉你大前提错了(这里没有钟慢),还告诉你为什么错了(这里不满足钟慢适用的条件),以及应该根据什么样大前提怎样往下推理(基本上我把推导过程的前前后后都写了),我不清楚你还需要什么逻辑上的解释,如果那个推导哪一步不明白你可以问。 如果我能用你那错误的大前提来给出正确的推理,那才真是胡说八道。 “根据相对论,物体越接近光速,质量越大,时间越慢,长度越小。”这里整个理解都是似是而非的。所有惯性系是平权的,蓝色手电筒和黄星地位是同等的,所有你说的都是相对的,需要仔细考量的概念。蓝色手电筒“质量变大”,是在黄色参照系里看,蓝色手电筒“长度变短”,变短的是在黄色参照系中看蓝色参照系里两个静止物体之间的距离,不是蓝色手电筒通过的距离,蓝色手电筒“时间变慢”,是和黄色参照系里两个不同的钟比,不是和黄星上的钟比,在蓝色手电筒的参照系里,黄星也会“质量变大,长度变短,时间变慢”。这些东西,我说得再多你自己不想明白为什么也没用,想明白的最简单的方法就是看这些公式是怎么从洛伦兹变换推导来的。 狭义相对论的逻辑体系是,光速不变+相对性原理等价于洛伦兹关系-〉在某些情况下成立的钟慢尺缩公式,按照狭义相对论,你说的情况下本来就没有钟慢(我已经告诉你钟慢应该怎么理解了),你硬要套上去还要说矛盾。这里逻辑都是你自己的。“但根据“光速不变”蓝色电筒测量出自身的前后光速都是c的,而黄星测量出的左右光速也是c,但这样的话从逻辑上来说是行不通的”,这里在逻辑上为什么会行不通?是违反了排中律还是什么?我都算给你看过了。你有空在这里一直追问我,自己看懂那个推导自己把另一边推出来难道很困难?洛伦兹变换的关系式百度百科就能查到,计算基本只要初中程度就可以,唯一需要想清楚的就是符号的处理和那些物理量的意义而以。这属于相对论最基本计算,你做过一遍自己体会一下比我讲再多都有用,而如果你连这些计算都不做,却想通过“逻辑”学习,我怎么讲你也不会明白的,就算有人真能让你“被明白”,下次碰上其他问题你还是一点都不懂。如果你真的不想做这些计算,劝你还是不要想相对论的问题了。如果你是真心有兴趣学相对论,那就先试着计算吧,只有先会算了才有可能跳出计算看本质,不要想着一口吃成胖子;如果你只是高中生而被迫在想这种问题,那就算了吧,我向来认为高中课本的相对论纯粹是误人子弟。
再问: 感觉你理解错了,我的意思是,根据相对论,物体越接近光速,质量越大,时间越慢,长度越小。然后我假设现在这个蓝色电筒相对于绿色电筒的情况就是已经,质量很大,时间很慢,长度很小了。但根据“光速不变”蓝色电筒测量出自身的前后光速都是c的,而黄星测量出的左右光速也是c,但这样的话从逻辑上来说是行不通的。从逻辑上,只有蓝电筒自己测得其后端发出的光的速度大于c,黄星才有可能测到左右的光速都是c。你能作出解析吗?
再问: 哦哦,再看一次你的回答知道我错了.但这样,因为c=299792458m/s,假设一辆车向东行驶的速度是每秒50米,在车外面的人检测到前车灯光速依然是c=299792458m/s,而光相对与车的速度是299792408m/s,但车里面的人因为种种原因检测到前车灯和刹车灯的光速都是c,如果按这样换算应该车外面的人检测出刹车灯对于车的速度也只有299792408m/s,但理论上车外面的人应该要检测出刹车灯的光相对于车来说要有299792508m/s.请问我这个假设又错在那里了
再答: 光速不变原理只是说的光的速度不变,并没有说光的所有性质都一样。前后发射的两束光本身是不同的东西,从逻辑学角度来看就是不同的客体。逻辑学就只告诉我们,从同样的东西出发应该得到同样的结论,而从没告诉过我们,对不同的东西,我们不能得到同样的结果。因此即使在车厢外面的人看见光相对于车的速度分别是c+v向后和c-v向前,也不代表就不能通过洛伦兹变换,将这两个速度在车厢系中都变成c(注意只是绝对值大小是c,依然是一个向后一个向前) ,这事实上就是可以办到的(还是那句话,你算过就 知道)。不仅是往前往后发出的光,对于(在地面系中)向任何方向发射的光,由洛伦兹变换在车厢系里都可以计算出速度为c,反之亦然,但是只有前后两束光方向是不变的,其他光传播方向都会变化,不变的只是c而已(详情可自行百度“光行差”现象)。.我们只不过是对不同的客体进行计算,得到了不同的结果,而这些结果有一个共同的性质而已,这里没有违反任何逻辑学定律。(如果从矢量的角度来看,我不过是把c+v向后变为c向后,c-v向前变为c向前,把某个c+v(矢量和)变为某个方向的c,这是个一一对应的过程) 或者不看上面长篇大论,直接用你的例子,本身车子向东,说明东西两个方向是不对称的。因此在车厢系里对车厢向东c=299792458m/s的光,对应于地面系中,是相对车299792408m/s向东,从这里不能推出,车厢系里对车厢向西c=299792458m/s的光,对应于地面系中,也应该是相对车厢299792408m/s向西,最简单的原因就是因为这两个方向之间是不对称的。