相对论视觉效应

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1、青博会展示仪器介绍——相对论视觉效应演示实验相对论视觉效应演示实验实验类型：微观与宇观2009年11月青博会展示仪器介绍——相对论视觉效应演示实验【实验目的】――――――――――――――――――――――――――――――――――了解狭义相对论的基本原理与时空的相对性。【实验仪器】――――――――――――――――――――――――――――――――――图1相对论视觉效应演示仪【实验现象】――――――――――――――――――――――――――――――――――1．将自行车、传感器、采集卡通过USB口，连接至计算机。2．运行文件“BicycleofEi

2、nstein”文件。在选择模式窗口中选择“外部信号”，按“确定”按钮。此时，窗口提示“请在主程序启动后，点击菜单栏的TCP/IP/显示面板”。3．在随后出现的“BicycleofEinstein”主程序界面中，点击主菜单“TCP/IP端口”中的“显示面板”命令，出现提示窗口“若没有运行采集程序SpeedCapture，先运行该程序，点击“连续单点采集”，然后点击“连接”按钮”。4．运行“VeloCap”文件。按照上述提示，点击“连续单点采集”按钮。5．在提示窗口“若没有运行采集程序SpeedCapture，先运行该程序，点击“连续单点采

3、集”，然后点击“连接”按钮”中，先点击“确定”，然后点击“连接”按钮。6．在“BicycleofEinstein”主程序界面中，点击“▷”按钮。然后踩动自行车踏板，观察主程序界面上的街景变化。青博会展示仪器介绍——相对论视觉效应演示实验【实验原理分析】――――――――――――――――――――――――――――――――――狭义相对论认为，存在一个最大的速度值——光速。任何物体的运动速度都无法超越光速。基于这一原理，当物体的运动速度接近于光速时，会产生一些不同于我们日常生活的不寻常的后果，如，量尺会缩短，时钟会变慢。所幸的是，由于光速为300

4、，000公里/秒，所以在日常生活的各种事件中，将很难观察到这些相对论效应。那么，狭义相对论的本质究竟是什么？为什么当物体的运动速度接近于光速时，量尺会缩短，时钟会变慢呢？下面简要探讨一下：时间的延缓:首先探讨时钟为什么会变慢的问题。如图2（a）所示，设想有一列车厢以速度v作匀速直线运动。以车厢为惯性系S’系，以地面为惯性系S。事件1是位于车厢地板上B处的一个光源垂直往上发出一个光脉冲；事件2是B处接收到一个反射光脉冲，反射光来自车厢顶部，且距光源为d的一个镜面。对于车厢内的观察者来说，两个事件发生在同一地点，测得两事件的时间间隔为。（a

5、）在车厢S’系中，观察者发现，光的发射和接收发生在同一个地点。（b）在地面S系中，光的发射和接收不是在同一个地点，整个过程中光走过的距离是。图2不同参考系中的时间思想实验青博会展示仪器介绍——相对论视觉效应演示实验在地面参考系S中的观察者，看到这两个事件并不发生在空间同一地点。在时间内，光源相对于S系运动了一段距离，如图2（b）所示。在S’系中，光的全程为2d，而在S系中为斜线，利用几何关系可得由于光速不变，在S系中光的速率也是c，所以有可得如果将S’系中观测到的时间间隔称为原时，显然，S系记录下的两事件时间间隔将大于在S’系中记录到的

6、原时。这一效应称为时间延缓。时间延缓表明了时间间隔的相对性。如果用钟走的快慢来说明，S系中的观察者把固定于S系中的钟与固定在S’系中的钟进行比较，将会发现S’系中的钟走慢了。长度的收缩:如果时间间隔具有相对性，那么空间长度是否也具有相对性呢？通常，在相对于物体静止的参考系中要测量其长度，可以分别先后记录下物体两端点的坐标位置，然后算出这两坐标位置之间的长度。但测量运动物体的长度时，就必须同时测量物体两端的坐标位置，然后确定其长度。若对两端点坐标位置的测量有先有后，则由于物体在运动，必将导致测量结果的错误。我们已经知道同时性是一个与参考系

7、有关的相对概念，所以长度也必然是一个与参考系有关的相对量。在一个思想实验中，设地面为S系，运动的车厢为S’系，S’系相对于S系以速度v沿x轴运动。现在S’系中放置一把米尺，一端固定一个光源，另一端固定一面反射镜。米尺静止于S’系中，在该系中测得的长度为，如图2（a）所示。（a）在相对于物体静止的参考系中，记录下物体两端的坐标位置和，其长度为青博会展示仪器介绍——相对论视觉效应演示实验（b）在S系中测量米尺长度为，光脉冲从光源传播到反射镜的时间是，这期间米尺向右移动了距离图3不同参考系中的空间思想实验现从光源发射出一个光脉冲，它从光源到镜

8、面再从镜面反射回到光源。如果由S’系中的观察者来测量，全程所需要的时间为因为光的出发和返回发生在S’系中的同一地点，所以上式中的是原时。接着，从S系来测量同样两事件发生的时间间隔。假设在S系中测得的米尺长度