一道相对论试题的错解分析与拓展分析

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1、一道相对论试题的错解分析与拓展分析　　2011年江苏高考物理卷有一道关于相对论的试题.　　原题如图1所示，沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C.假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上的观测者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是　　A.同时被照亮　　B.A先被照亮　　C.C先被照亮　　D.无法判断　　1错解举隅　　关于该题的解答，一些教辅资料上给出的解释均是错误的，列举如下.　　解答1由“同时”的相对性可知，列车上的观察者观察到光信号先到达C，C选项正确.　　解答2列车上的观测者看到的是由B发

2、出后经过A和C反射的光，由于列车在这段时间内向C运动靠近C，而远离A，所以看到C先被照亮，故C正确.　　解答3当铁塔B发出一个闪光，同时到达A、C两铁塔被反射，但列车沿AC方向以接近光速行驶，经铁塔A反射的光相对列车的速度远小于经铁塔C反射的光相对列车的速度，经铁塔C反射的光先到达观测者，看到C先被照亮，C正确.8　　解答4当铁塔B发出一个闪光时，在地面上的观察者观测到两事件是同时发生的，即闪光同时到达A、C两铁塔.而对于沿AC方向以接近光速行驶的列车上的观察者来说，他认为，铁塔B向着自己运动，而在地面参考系中A、C两

3、铁塔同时被照亮，这说明铁塔C距离铁塔B较近，所以C先被照亮.因此，C正确.　　2理论分析　　2.1“同时”的相对性　　爱因斯坦是近代科学中的思辨大师，“思想实验”是他进行思辨探索的有效方式之一.如图2所示，设想有一列火车相对于站台以匀速v向右运动.当列车的首、尾两点A′、B′与站台上的A、B两点分别重合时，站台上同时在这两点发出闪光.所谓“同时”，就是两闪光同时传到站台的中点C.但对于列车来说，由于它向右行驶，车上的中点C′先接收到来自车头A′（即站台上的A）点的闪光.后接到来自车尾B′（即站台上的B）点的闪光.于是.

4、对于列车上的观察者C′来说，A点的闪光早于B点的闪光，而对于站台上的C点来说，却同时接收到A的闪光和B的闪光.　　换一个视角来分析，以列车为参考系.则列车上的观察者认为，站台上的C点沿运动反方向移动一段距离，A处的闪光所走的路程大于B处闪光所走的路程.因光速不变，既然两闪光同时在C点相遇，则A点的闪光应早于B点的闪光.　　因此，对于站台参考系为同时的事件，对于列车参考系是不同时的，事件的同时性因参考系的选择而异，可见同时性是相对的.　　当然，也可以用洛伦兹变换验证同时的相对性.8　　2.2视角形象与测量形象　　著名科学

5、家兼科普作家伽莫夫在他的科普著作《物理世界奇遇记》（剑桥大学出版社，1939年）中讲到一个故事，故事中的主人公汤普金斯先生在听了相对论的通俗讲座后，昏昏然进入了一个梦境，梦游一座奇特城市，市内的光速只有20km/s，于是他看到骑车者连人带车都是扁的；当他自己骑车时，又看到被压扁了的街道、橱窗和行人.书中描述的情景在长达50余年的时间里人们深信不疑，直到1959年，即相对论建立半个多世纪后，物理学家特列尔和彭罗斯分别指出，“测量”与“看见”并不一样.“看见”是指用眼睛去看（或用照相机拍照），其结果称为视觉形象.它由发自物

6、体各点并同时到达眼睛的所有光子组成，由于各点与眼睛的距离未必相同，这些光子未必从各点同时发出.反之.“测量”是指特意安排的一种操作，它要“测出”物体各点在同一时刻的位置，这些点所组成的图象称为测量形象，所谓同一时刻，是指观察者所在参考系的一张同时面，运动物体的测量形象必有尺缩.因此，视觉形象与测量形象存在差别.　　鉴于视觉形象与测量形象存在差别，讨论相对论时就要特别注意用词.通常的习惯是：“测得”或“认为”是指测量形象（或测量结果）；“看到”或“看见”是指视觉形象.有时也使用　　（1）为什么不可以将“电流表内接”时的真

7、实测量值I和“电流表外接”时的真实测量值U组合算出“真实的”待测电阻呢？8　　想弄清楚这个看似合理的想法到底错在哪里，就得从欧姆定律做以深度解析.欧姆定律中的三个物理量具有同时性：运用欧姆定律时，应注意I、U、R三者必须是同一段纯电阻电路在同一时刻的三个物理量.三者会同时呈现出来.假如将两个电路中的物理量混用在一起，那将没有可以把握的尺度标准进行必要的评估！　　（2）为什么在都是粗略测量的情况下，放着肉眼观察的方便方法不用，非用繁琐的计算呢？　　经过多次的实验操作发现：观察偏角的方法并不通用；只有在两个电表指针变化非常

8、悬殊的情况，才能断定出哪一电表示数变化明显！而当不能很好的断定出示数变化的情况下，限于已有的实验器材，只能另觅新方――计算相对误差！但囿于高中知识储备，基于前面的阐述，计算相对误差的方案其实已经失去了可行性！这样的习题如此多地被拷贝转载到各大教辅资料上为师生所咀嚼难咽，实在不应该！“看来”一词，虽然有个“看”字，但与“测得”或“认