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等效原理 等效原理的内容

导语:等效原理是引力最基本的物理性质,可以随时选择合适的参考系空,使所有物质的运动方程不再包含引力项,即引力可以局部消除。如果我们认为没有重力的参考系是惯性系,那么等效原理告诉我们,任何时候都必然存在局部惯性系空。伽利略首先注意

等效原理是引力最基本的物理性质,可以随时选择合适的参考系空,使所有物质的运动方程不再包含引力项,即引力可以局部消除。如果我们认为没有重力的参考系是惯性系,那么等效原理告诉我们,任何时候都必然存在局部惯性系空。伽利略首先注意到不同物体沿斜面的滑动运动是相同的,即重力加速度与物体的成分无关。

等效原理是广义相对论的第一个基本原理,也是整个广义相对论的核心。它的基本含义是,重力场相当于一个以适当加速度运动的参考系。爱因斯坦在1911年注意到这个规律,并在1915年以原理的形式正式提出。

类型

弱等价

弱等效原理原本是指观测者无法区分加速度产生的惯性力或局部区域内物体产生的引力,而是从引力质量与惯性质量成正比这一事实推导出来的。这种关系最初是由伽利略和牛顿通过一系列实验确定的。

强等价

强等价原理是指时间空区域内某一点的引力场可以用相应的局部惯性参照系来描述,狭义相对论在其局部惯性参照系中完全成立。

强等价原则不能从弱等价原则推导出来,而只是弱等价原则的抽象结果。这个原理是用广义相对论几何学描述引力的基础。由于引力场本身与引力场源的距离有关,引力场在时间空分布上是不均匀的,不能用一个全局加速度参考系来描述,也就是用一个全局加速度参考系来抵消每次空的引力。但是每个点的引力场都有对应的引力场强度,可以用一个加速度等于它的局部加速度参考系来描述,也就是用一个局部加速度参考系来抵消每个对应的时间空点的引力,然后把每个局部惯性参考系的闭合系组合起来,就可以描述全局时间空。

对等原则的规范表达;

设K为伽利略的参照系,就是这样一个参照系,一个离其他物体足够远的物体在匀速直线运动。设K′为第二坐标系,相对于K作匀速加速平移运动,因此,距离其他物体足够远的物体相对于K′应有加速运动,其加速度及其方向与物体的物质组成和物理状态无关。

一个相对静止的‘K’观察者能断定他处于一个“真实”的加速度参照系中吗?答案是否定的;因为物体相对于K’自由运动的上述性质可以用下面的方式来解释。参考系K’不加速;但是-空之间的场中存在一个引力场,使得物体得到相对于K '的加速运动。

这种观点是可能的,因为经验告诉我们,有一个力场,它具有给所有物体相同加速度的显著性质。物体相对于K’的机械特性与我们过去认为是“静态”或“特权”的参照系中所经历的相同。因此,从物理学的立场来看,很容易承认K和K’具有相同的权利,可以认为是“静态的”,也就是说,作为现象的物理描述,它们具有相同的权利。

——摘自《广义相对论的基础》

其他的

虽然我们通常说运动是相对运动,它是相对于参照系的,但我们认为运动是物体的属性,由于惯性,物体的速度保持不变。外力可以改变这种运动状态。但是我们通常所说的运动实际上是两个物体运动之间的差异。我们用运动的差异来表示物体的速度。参考系和物体之间的运动差异被表示为物体的速度或其他东西。或者用物体的速度来表达两个物体的运动差异。

这样,两个物体之间运动差异的变化就变成了一个物体运动状态的变化。

运动差的变化与力有关。力是物体运动状态变化的原因。如果两个物体之间的运动差异发生变化,一个强大的力必须作用在其中一个物体上。选择哪个物体作为参照系来描述运动差异并不重要。

引力场中的惯性系可以认为参考系没有受力或平衡,其他物体被引力吸引,是一种力;加速度系统属于参考系的类型,其他物体不受力。在参考系看来,其他物体受到惯性力的作用。运动差的变化与力有关。无论是参照系受力还是其他物体受力,力改变运动差异的效果是一样的。从这个角度来看,它们是等价的。

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