Vật lý hiện đại

Giãn thời gian của đồng hồ ánh sáng

Tăng β — quan sát đồng hồ ánh sáng đang chuyển động chạy chậm hơn (Δt = γ Δt₀) và thanh co ngắn lại.

Giãn thời gian của đồng hồ ánh sáng — mô phỏng Vật lý hiện đại tương tác. Tăng β — quan sát đồng hồ ánh sáng đang chuyển động chạy chậm hơn (Δt = γ Δt₀) và thanh co ngắn lại. Phòng thí nghiệm vật lý ảo miễn phí trên trình duyệt với phép đo SI trực tiếp và hướng dẫn từng bước.

Giãn thời gian

Tăng β: quan sát đồng hồ ánh sáng chuyển động chạy chậm hơn (Δt = γ Δt₀) và thanh co ngắn lại.

Một đồng hồ ánh sáng đếm nhịp bằng cách cho photon dội qua lại giữa hai gương. Đồng hồ chuyển động đo thời gian khứ hồi dài hơn trong khung phòng thí nghiệm với hệ số γ = 1/√(1−β²). Sự co ngắn độ dài đồng thời giữ c bất biến — cốt lõi của các thí nghiệm tưởng tượng thuyết tương đối hẹp.

• Δt = γΔt₀
• γ = 1/√(1−β²)

Tóm tắt điều tra

Lập kế hoạch câu hỏi trước khi bạn mở phòng thí nghiệm

Bản tóm tắt phản ánh trang được kết xuất trước: câu hỏi dẫn dắt, các dự đoán cạnh tranh, vai trò của biến, các định luật chi phối, phần thiết lập và các gợi ý phân tích, mở rộng vẫn hiển thị theo thứ tự này.

Câu hỏi lái xe

Một 'đồng hồ ánh sáng' phát ra một xung ánh sáng giữa hai tấm gương, tích tắc một lần trong mỗi chuyến đi khứ hồi. Nếu toàn bộ chiếc đồng hồ chuyển động với tốc độ cao so với bạn, bạn có quan sát thấy nó chạy chậm hơn, nhanh hơn hay cùng tốc độ với một chiếc đồng hồ giống hệt đang đứng yên không?

Dự đoán cân nặng

• Chậm hơn - xung ánh sáng của đồng hồ đang chuyển động phải truyền theo một đường chéo dài hơn (từ khung của người quan sát), do đó mỗi tích tắc sẽ mất nhiều thời gian hơn.
• Nhanh hơn - chuyển động tăng tốc đồng hồ.
• Tốc độ như nhau, vì ánh sáng luôn truyền đi với tốc độ c bất kể chuyển động của đồng hồ.

Vai trò thay đổi

Những gì bạn đặt:

• Phần tốc độ β = v/c

Những gì bạn đo lường:

• Hệ số Lorentz γ
• Thời gian giãn nở Δt (µs)

Cuộc điều tra diễn ra như thế nào

1. Mở cài đặt trước light-clock-dilation và nhấn Reset. Thời gian thích hợp cho mỗi tích tắc của đồng hồ được cố định ở mức 1 µs.
2. Kích hoạt hệ số Lorentz và chỉ số thời gian giãn nở.
3. Đặt tốc độ của đồng hồ (dưới dạng một phần tốc độ ánh sáng, β = v/c) cho mỗi lần thử và ghi lại thời gian giãn ra quan sát được.

phương trình điều khiển

Sự giãn nở thời gian — Δt = γ Δt₀

Một chiếc đồng hồ chuyển động với tốc độ v = βc, được quan sát từ một hệ quy chiếu đứng yên, dường như chạy chậm theo hệ số Lorentz: Δt = γ·Δt_proper, trong đó γ = 1/√(1 − β²) ≥ 1. Hiệu ứng này không đáng kể ở tốc độ hàng ngày nhưng rất kịch tính khi β tiến tới 1.

Bảng tính có thể in được yêu cầu học sinh làm gì

• Đối với một lần thử, hãy tính γ = 1 /√(1 − β²), rồi Δt = γ·Δt_proper bằng cách sử dụng thời gian thích hợp 1 µs. So sánh cả hai với bảng.
• Giải thích tại sao γ vẫn gần bằng 1 (hầu như không có sự giãn nở nào) ở tốc độ thấp nhưng tăng mạnh khi β tiến tới 1 - đường chéo của đồng hồ ánh sáng chỉ trở nên dài hơn đáng kể một khi tốc độ của đồng hồ trở thành một phần đáng kể của tốc độ ánh sáng.

Nơi điều này xuất hiện bên ngoài phòng thí nghiệm

• Từ quan điểm của một người đang du hành VỚI chiếc đồng hồ đang chuyển động, thì đồng hồ của chính họ có vẻ bình thường - và thay vào đó, một chiếc đồng hồ trên Trái đất dường như đang chạy chậm. Giải thích tại sao sự giãn nở thời gian có vẻ đối xứng giữa hai người quan sát trong chuyển động tương đối và tại sao điều này không mâu thuẫn (điều này được giải quyết bằng cách người quan sát thực sự thay đổi hệ quy chiếu).
• Các vệ tinh GPS di chuyển đủ nhanh để sự giãn nở thời gian tương đối đặc biệt (cộng với hiệu ứng tương đối rộng từ lực hấp dẫn yếu hơn ở độ cao) gây ra độ lệch đồng hồ có thể đo được, được điều chỉnh trong thiết kế của hệ thống. Tại sao việc bỏ qua hiệu ứng nhỏ này cuối cùng lại gây ra lỗi định vị GPS đáng kể?

• AP Physics 2 — Unit 15: Modern Physics
• IB Physics — A.5 Galilean and special relativity
• General High School Physics — Modern physics intro
• NGSS High School Physics — Wave-particle duality of light

1. Chào mừng đến giãn nở đồng hồ ánh sáng
2. Chọn thiết lập tương đối tính
3. Nhấn Phát
4. Đồng hồ chuyển động chạy chậm hơn
5. Mở Trình kiểm tra
6. Hoàn thành!

Mở mô phỏng tương tác để xây dựng hoạt cảnh, nhấn Chạy và khám phá với các phép đo trực tiếp và bài hướng dẫn.

Mở phòng thí nghiệm tương tác →

Tải tài liệu thí nghiệm →

Thuyết Tương Đối Hẹp: Giãn Thời Gian