大学物理相对论部分教学中的几点探讨

唐 煌 朱小芹

（江苏理工学院数理学院，江苏 常州 213001）

工科大学物理的教学中，狭义相对论部分学时很少，而其内容又相对深奥，在讲授这部分内容时，很多学生一知半解，他们只是形象地对是否有时空隧道、时间能否倒流等科普甚至科幻感兴趣，却不理解正确的理论，更不理解理论所要求的前提条件.同时，对于一些难以理解的知识点，在部分参考书中，有关内容叙述得不太严谨，这样，初学者要真正掌握这些概念比较困难.本文选取了狭义相对论部分的几个问题进行讨论，通过定性及定量分析，究其根本原因，寻找内在的物理本质.

1 狭义相对论的时空观

由式（1）可知，在S 系中，不同地点的两个事件同时发生，即t1＝t2，Δt＝0，Δx≠0，则在S′系中，Δt′≠0，两个事件不可能同时发生.

这里错误的关键还是学生忽视了长度收缩的前提条件：同时测量运动细杆两端的坐标.杆的原长或固有长度是杆静止时测得的长度，测量时不必同时记录杆的两端坐标，由于杆是静止的，其两端坐标值不变，同时记录或不同时记录其结果一样，当杆运动时，要求同时记录其两端的坐标，而用此两端坐标差作为杆的运动长度.

可见，在相对论时空观的学习中，关键还是正确利用洛伦兹变换，特别要注意它们的前提条件.大多数教材都是先给出洛伦兹变换，再通过洛伦兹变换讲解相对论时空观［2，3］，但也有教材先介绍相对论时空观，再讲洛伦兹变换［4］，让学生先定性了解，再定量学习，老师可以让学生课后通过洛伦兹变换再去思考相对论时空观，这样效果也不错.

2 狭义相对论中的因果关系

在相对论教学中，很多学生受到科幻小说、科幻电影的影响，总是认为因果关系会发生颠倒.若A 和B 是S′系中的两个事件，A 是原因，B 是结果（A 先发生，B 后发生）.他们认为总能找到一个惯性系S，在S 系中，B 先发生，A 后发生，出现因果顺序颠倒的现象.其实这是绝对不可能的，在相对论中，因果关系不会发生颠倒.

设A、B 两个事件在S′系的时空坐标分别为（x′A，t′A），（x′B，t′B），S′系相对S 系以速率u 沿x 轴正向运动，由洛伦兹变换可知，在S 系中，

则

由式（3）可见，如果x′B＞x′A，则只要t′B＞t′A，必有tB－tA，即在S′系中测得A 先于B 发生，在S系中测也是A 先于B 发生.

如果x′B＜x′A，则有可能t′B＞t′A，而tB＜tA，也就是在S′系中测得A 先于B 发生，有可能在S 系中测得B 先于A 发生.但是这种时序颠倒的情况只能发生在彼此无关的两事件之间.

3 狭义相对论中的质量

4 结语

通过以上几个问题的讨论分析，知道学习相对论时空观的关键还是洛伦兹变换，同时要特别注意其前提条件；了解相对论不会改变因果关系；以及有争议的动质量概念.相对论的学习，值得讨论的问题还有很多，例如著名的“孪生子佯谬”问题，光靠狭义相对论不能很好地解释，还需要广义相对论的知识才能解释清楚［10］.更多的问题，还需要大家去探讨，科学总是在不断的思索和怀疑中前进的.

［1］过祥龙，董慎行.基础物理学（上册）［M］.2版.苏州：苏州大学出版社，2003：139.

［2］程守洙.普通物理学（1）［M］.5版.北京：高等教育出版社，2002：229－246.

［3］马文蔚.物理学（下册）［M］.4版.北京：高等教育出版社，2000：186－195.

［4］毛骏健，顾牡.大学物理学（下册）［M］.北京：高等教育出版社，2009：137－142.

［5］Adler C G.质量真的与速度有关吗，爸爸？.［J］.吴治隆，译.大学物理，1991，10（3）：25－28.

［6］Okun L B.质量的概念［J］.马文麒，译.大学物理，1992，11（2）：29－31.

［7］朗道，栗弗席兹.场论.［M］.任朗，袁炳南，译.北京：高等教育出版社，1959：37－38.

［8］Sandin T R.为相对论质量辩护［J］.邓淑琴，译.大学物理，1994，13（8）：20－24.

［9］张三慧.也谈质量的概念［J］.物理与工程，2001，11（6）：5－11.

［10］吕嫣，段家兴，图雅，等.对双生子佯谬问题的几种解释［J］.沈阳师范大学学报：自然科学版，2011，29（3）：384－386.