光源位置确定原则和同时的相对性

1、建立光源位置原则，巧教相对论问题摘要：本文通过假设论证，建立光源位置确定原则，活化相对论的教学思路，简化高中阶段相对论问题的分析，提高教学的效率和学生学习近代物理的兴趣。关键词：假设 光源位置确定原则我们在学习相对论时空观时，我们常常被它高深的理论，抽象的观点所难倒。师生在相对性原理、光速不变原理、同时的相对性等概念中徘徊，在教学中，一不小心就弄的前后矛盾，让学生无所适从，自己也尴尬无比。究其原因一是教材过于简洁，叙述跳跃性大，阅读理解困难；其次是本节内容是现代物理的前沿，大家在这个方向上的研究比较少，所获得的信息不足，是一个难点知识。第三，该理论本身就现代人最难理解的理论，而且该理论本身就出

2、在不断完善的阶段，没有形成完整的理论体系，鲜有人能够真真讲清楚，出现在高中物理必修教材中，无疑就增加了高中物理师生教学和学习的难度。在高中物理教材粤教版（2010 年版）必修第五章第二节中有这样一段教材“如图 1 所示，假设一列火车以速度 v1 匀速前进，车厢内一个乘客以速度 v2走向车头，对站在站台上的观察者而言，乘客的速度是 v1+v2；如果乘客的速度与火车前进方向相反，其速度则为 v1-v2，这与我们的常识经验相符合。，电磁学的研究表明：光是一种电磁波，光速是一个恒定的常数 C，与光源和观第 1 页 共 7 页察者的运动无关。这样，如图 2 所示，车厢后顶部的档板上有一光源，火车的 速度

3、为 v1，对于站台上的观察者来说，光传播的速度仍然是 C，而不是 C+V1，显然，这与经典力学的速度合成法则相违背产生矛盾，但观察和实验事实表明：无论光源和观察者如何运动，光速只能是 C。为了解决上述矛盾，爱因斯坦于 1905 年提出狭义相对论，狭义相对论理论的出发点是以下述两条基本假设为前提的：第一是相对性原理，在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。 第二是光速不变原理，不管在哪个惯性系中，测得的真空中的光速都相同。”到了这里，很多同学就已经看不下去了，觉得深奥，不可思议。老师在授课的时候，也是黔驴技穷，生活中找不到相关的、形象的、直观的事件来进行解释说明。再加上高考说明虽然有要求，

4、但鲜有涉及，老师在此处的教学也就一带而过了，也就放弃了对此类问题的深入研究。但一些有兴趣的同学常常会提出一些有趣的问题，如“怎样理解同时的相对性”？“怎么解释网上的“双生子”问题“？弄得老师一时无话可答达，加上备考的任务紧，就一句“高考不第 2 页 共 7 页考，以后再学” 搪塞过去了。出现这种局面的关键问题就在于我们在教学中没有一个直观的分析事例，以及缺乏对不同参考系之间转换的理解。在一次与学生的讨论中，笔者无意发现，我们在学习的过程中，如果假定建立一个光源位置确定原则，上述问题就应刃而解。光源位置确定原则：在研究相对论问题时，光源的位置相对于观察者来说是静止的。设车厢后顶部档板上有一光源

5、O，火车以速度 v 匀速前进，车上的观察者小明，站在站台上有观察者小芳如图 3 所示，当光源、小明、小芳在垂直 v 的同一竖直面内时，光源 O 闪光后，小明观察闪光是从相对于车厢参考系静止的光源 O发出的，小芳观察到闪光是从相对与站台参考系静止的光源 O 发出的，他们都觉察不到火车速度 v 的存在，这样他们测量到的光速就都是 C 了。当带有光源 0 的档板固定在站台上，火车以速度 v 匀速运动，车上有观察者小明，站台上有观察者小芳（如图 4 所示），当光源、小明、小芳在垂直 v 的第 3 页 共 7 页同一竖直面内时，光源 O 闪光后，小明观察闪光是从相对于车厢参考系静止的光源 O发出的，小芳

6、观察闪光是从相对于站台参考系静止的光源 O 发出的，他们都觉察不到火车速度 V 的存在，他们所测量到的光速也都是 C。经过所述假设分析，结合光速不变原理，我们只要认定观察者在观察光的传播过程中，光源的位置相对于观察者所在的参考系静止原则，就能大大的对狭义相对论的难度，有利于我们分析解决问题，这就是笔者所假设建立的光源位置确定原则。为了进一步说明光源位置确定原则的实用性，我们以高中物理教材粤教版（2010 年版）必修第 119 页，第 3 题为例，分析说明，进行检验。地面上两个同时发生的事件 A、B，对于坐在航天飞机中沿这两个事件发生地点连线飞行的观察者来说，哪个事件先发生？先假设飞机运动，地面

7、静止的情况：地面上 A、B 两条门都有自动装置，当接受到光信号门自动打开，在 A、B 的中垂面的地面上方固定一个光源 O，并站有一个观察者小芳，飞机上坐着一观察者小明，飞机以速度 v 向左飞行，当小明也在上述中垂面中时，如图 5 所示位置。第 4 页 共 7 页光源 O 闪光，然后由光源位置确定原则可知，如图 6 所示，小明观察闪光是从相对于飞机静止的光源 O发出的，小芳观察闪光是从相对地面静止的光源 O 发出的。对小芳因为闪光从 O 到 A、B 的距离相等，由于光速不变原理，光传播到 AB 两点所用的时间相等，所以小芳看到 A、B 门同时打开；对于小明因为光源 O随飞机向左运动，光传播到 A

8、 门的距离大于传播到 B 门的距离，根据光速不变原理，距离长的需要的时间较多，所以小明看到 B 门先开，A 门后开。可见，地面上同时发生的事件 A、B，对于坐在航天飞机上沿两事件发生地连线飞行的观察者来说，B 事件先发生，A 事件后发生。当设飞机静止，地面运动：飞机、小芳、小明、光源上述均在同一垂面，如图 7 所示，地面以速度 V 向右运动，光源 O 闪光。第 5 页 共 7 页根据光源位置确定原则，小芳观察闪光是从相对于地面静止的光源 O发出的，小明观察闪光是相对于飞机静止的光源 O 发出的。小芳看到 A、B 门同时打开，是因为光从光源 O传播到 AB 的距离相等，根据光速不变原理，所要的时

9、间相等。由于 A、B 门随地面一起向右运动，坐在飞机中的小明将看到 B 门先打开，因为闪光从光源 O 发出，传播到 A 门的距离大于传播到 B 门的距离。可见地面上两个同时发生的事件 A、B，对于坐在航天飞机中沿两事件发生地连线飞行的观察者来说，B 事件先发生。对于高中物理教材粤教版（2010 年版）必修第 119 页，第 4 题：一列火车以速度 V 相对地面运动，如果地面上的观察者测得某光源发出的闪光同时到达一节车厢的前门和后门，那么火车上的观察者是否测得闪光也同时到达前门和后门？为什么？假设光源固定在火车上：火车的一节车厢前后门以及顶部的光源 O，车厢 光源下站着小明，站台上站着小芳，火车以速度 V 匀速向右运动，如图 8 所示。第 6 页 共 7 页光源 O 闪光后，由光源位置确定原则，我们知道小明观察闪光是相对于车厢静止的光源 O发出的，小芳观察闪光是相对于站台静止的光源 O 发出的（如图 9）。如果小芳测得光源 O 相对于车厢向前向后的闪光同时传播到前门和后门的话，光源 O一定在车厢的前半部，即小明测量到闪光先到达前门，后到达后门，这是因为从光源 O传播到后门的距离大于传播到前门的距离，由于光速不变原理，距离大的要的时间就多。有兴趣的师生，不妨假设光源固定在站台上，你