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相对论

时间膨胀与长度收缩

改变 β=v/c\beta = v/c,把运动时钟和尺子与实验室参考系比较;借助定量图验证 Δt=γ Δτ\Delta t = \gamma\,\Delta\tau 与 L=L01−β2L = L_0\sqrt{1-\beta^2}。

大学

器材

  • 驱动钟—尺图的“速度 β = v/c”滑块
  • 用于关系图的“模型参数”和第二个“速度 β”滑块
  • “暂停”动画与“重置视角”按钮
  • 图上的 β、γ 读数与 1/γ 标注

实验步骤

  1. 观察运动时钟变慢

    将“速度 β = v/c”从 0 扫到 0.95:运动时钟的 tick 间隔相对实验室时钟被拉长。读取 γ 并核对 Δt=γ Δτ\Delta t = \gamma\,\Delta\tau;必要时拖动画布旋转场景。

  2. 测量尺子沿运动方向的收缩

    在同一 β 下观察尺子:沿运动方向的表观长度缩短,垂直方向不变。与 L=L0/γL = L_0/\gamma 对照,并强调这是参考系之间的测量效应,而非力学形变。

  3. 读取 γ(β) 图与非相对论极限

    在“定量关系”部分扫动第二个 β 滑块:β 小时 γ 偏离 1 仅千分之几,而 β → 1 时急剧增大。用 γ=1/1−β2\gamma = 1/\sqrt{1-\beta^2} 估算产生 1% 修正所需的 β,并解释为何日常速度下效应不可察觉。

模拟

实验历史

1905 年,阿尔伯特·爱因斯坦以两条公设建立狭义相对论,时间膨胀与长度收缩成为洛伦兹变换的推论——洛伦兹早在 1904 年就在以太理论中写下该变换,菲茨杰拉德则于 1889 年提出物理收缩假设以解释迈克耳孙–莫雷实验(1887)。 不同之处在于,爱因斯坦从原理推导效应,而非对以太作特设假设。直接验证包括:艾夫斯–史迪威实验(1938 年测量高速离子的多普勒频移)、宇宙线 μ 子寿命延长,以及哈菲尔–基廷实验(1971 年携原子钟环球飞行)——均与 γ 高精度吻合。

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