速度加成式

✍ dations ◷ 2025-07-26 21:58:46 #狭义相对论,方程,速度,运动学

物理学中,速度加成式是将不同参考系下个别描述同一移动物体速度的关联方程。

伽利略观察到:当一艘船以相对海岸的速度v移动,而在船上量到一只苍蝇以速度u移动,则海岸边的人会测到的苍蝇速度服从速度加成式:

其中s是相对于海岸的苍蝇速度。

在船与苍蝇速度都远小于真空中光速时,这个矢量直接相加的速度加成式大致正确。此为牛顿力学的一项运动学基础。适用牛顿力学的伽利略宇宙采用了绝对时空的概念,而速度加成服从伽利略变换的关系式。

上述的例子在狭义相对论的情形,船参考系的时钟与尺与岸上的不同。同时的概念也有所改变,因此速度加成式也不一样。这些差异在速度远小于的情形是可忽略的,而在接近光速时就变得重要。对于(共线性)的运动,速度加成式变为:

v B | A = v B v A 1 v A v B c 2 {\displaystyle {\vec {v}}_{\mathrm {B|A} }={\frac {{\vec {v}}_{\mathrm {B} }-{\vec {v}}_{\mathrm {A} }}{1-{\frac {{\vec {v}}_{\mathrm {A} }{\vec {v}}_{\mathrm {B} }}{c^{2}}}}}} 的artanh)称为快度。如此原因是因为相对论中的洛伦兹提进可想作是双曲旋转,旋转角度即快度,而这个转角是可以加成的。

速度加成式有另个等价代数形式,透过光速不变原理可导得:

共线性的速度加成式为最初验证狭义相对论运动学的一项测试。如迈克耳孙干涉仪、菲佐实验都是这类实验,其中用到与光行进方向相同的流动液体。光在液体中的速率叫真空中为慢,并且随着流体速度变化。相关实验皆显示相对论的速度加成式是正确的。

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