目标公式:
适用范围/假设:
- 惯性系(地面近似为惯性系;μ 子匀速直线飞行,
)。 因子 不在此自证——Formelnheft S. 5 直接给出,考场可直接引用。 s 是平均寿命(指数衰变的平均值),下面的计算把它当"典型寿命"用——这是一个统计近似,结论(经典彻底失败、相对论自洽)不受影响。 - ★ 真题相关:Naturphänomene 卷(宇宙射线/μ 子佯谬)。
用到的公式
| 公式 | 名称 | Formelnheft |
|---|---|---|
| Gamma-Faktor | ✅ S. 5 („ | |
| Zeitdilatation(时间膨胀) | ✅ S. 5 („Zeitdilatation | |
| Längenkontraktion(长度收缩) | ✅ S. 5 („Längenkontraktion | |
| 匀速运动定义 | ❌ 不在 Formelnheft——基本定义,考场需自己写出 | |
| Lichtgeschwindigkeit(光速) | ✅ S. 1(常数表) |
推导(Schritt für Schritt)
第 0 步——经典矛盾(为什么需要相对论)
- 经典最大射程=最大可能速度 × 寿命。没有什么比光快,故
: - 代入数字(
m/s, s): - μ 子在
km 高空产生: ——经典上 μ 子永远到不了地面。可我们在地面却大量测到它们 → 经典物理在此彻底失败(不是差一点:经典上能到达的份额只有 )。
途径 A——时间膨胀(地面系视角)
- 识别固有时间(Eigenzeit)。 寿命
s 是 μ 子用自己的钟测得的——钟相对 μ 子静止,所以 就是 Formelnheft 公式里的 (固有时间)。 - 套用 Zeitdilatation(S. 5)。 在地面系看,运动的钟走得慢,μ 子"活"的时间被拉长为
- 算
( ): (讲义口径取整说"约 32 倍"——同一数值,仅舍入不同。) - 拉长后的寿命:
- 飞行距离(匀速
): - 结论 A:
✓ —— 在地面系看,μ 子因时间膨胀"活"得足够久,能从产生高度走到地面。
途径 B——长度收缩(μ 子系视角)
- μ 子自己毫无察觉。 在它自己的系里,寿命就是
s——没有变长。 - 识别静止长度。
km 大气层厚度是在大气静止的系(地面系)里测得的——这是 Formelnheft 里的 。 - 套用 Längenkontraktion(S. 5)。 对 μ 子而言,大气迎面运动,因此被缩短:
- μ 子寿命内能走的路程:
- 结论 B:
✓ —— 在 μ 子系看,要穿越的大气只剩约 630 m,它短暂的寿命刚好够用。
第 3 步——两视角对照=相对论的自洽性
| 时间 | 距离 | 结论 | |
|---|---|---|---|
| 地面系(途径 A) | 被拉长: | 原长 20 km | 到达 ✓ |
| μ 子系(途径 B) | 原寿命 | 被缩短: | 到达 ✓ |
两个参考系对可观测事实(μ 子到达地面)给出同一结论——一方眼里被拉长的时间,正是另一方眼里被缩短的距离(二者都由同一个
✎ 写法提醒: 课堂笔记把公式写成
(移项形式、下标命名不同),与 Formelnheft 的 是同一个公式;内容不变:运动的钟显示更少的时间。
变量表
| 符号 | 含义 | SI 单位 |
|---|---|---|
| μ 子平均寿命=固有时间(Eigenzeit,随动钟测得) | s( | |
| 地面系测得的(被拉长的)寿命 | s | |
| 洛伦兹因子(Gamma-Faktor) | —(无量纲,此处 | |
| μ 子速度( | m/s | |
| 真空光速 | m/s | |
| 地面系中的飞行距离 | m | |
| 静止长度(大气厚度 | m | |
| μ 子系中(被缩短的)大气厚度 | m |
关联
- 讲义出处:主题 6 §6.2(数字口径完全一致:660 m / γ≈32 / 21 km / 630 m)
- 宇宙射线背景:主题 6 §6.1、主题 12 §12.10
- 指数衰变(
是平均值):H14