狭义相对论的基本假设

麦克尔 逊实验
狭义相对论的两个假设
上述的矛盾使我们面临两个选择，要么放弃麦 克斯韦的电磁理论，要么否定特殊参考系的存 在．爱因斯坦选择了后者．并提出了两个假设： 真空中的光速在不同的惯 性参考系中都是相同的
光速不变原理
在不同的惯性参考系中， 一切物理规律都是相同的
爱因斯坦的 相对性原理
同时的相对性
t v 1 c
2
4h 2 c2 v2
时间间隔的相对性 在站台上看运 动火车上的钟
在火车上看运 动站台上的钟
长度的相对性
l
v
l
车厢运行速度240000km/s
车上的人看到的车厢的长度： l
车外的人看到的车厢的长度： l
v l l 1 c
2
物体的能量和质量之 间存在密切的联系，他们 的关系是：
E mc
2
爱因斯坦
这就是著名的质能方程
质能方程
质能方程表达了物体的质量和它所具有的能量之 间的关系.
Ek E E0
物体的动能
m0 v 1 c
2
运动时的能量
静止时的能量
m
Ek
1 m0 v 2 2
在v ＜ ＜ c时的一种近似 这就是动能表达式．
E mc2
质能方程
具体推导过程如下：
Ek E E0
E mc
2
Ek
m0 c 2 Βιβλιοθήκη Baidu 1 c
2
2
m0 c 2
E0 m0 c 2
v 1 c
v 1 c 1v 1 2c
2
2
1 v m0 c 2 m0 c 2 m0 c 2 2 c Ek 2 1v 1 2c
狭义相对论的其他三个结论
下面，我们学习狭义相对论的三个重要结论…
相对论的速度叠加公式 相对论质量
质能方程
相对论的速度叠加公式
u
v
车厢运行速度240000km/s
车外的人看到车上人 相对地面的速度为：
u v u u v 1 c2
相对论质量
物体的运动速度不能无限增加，那么物体的质 量是否随着速度而变化？ 严格的论证表明，物体高速（与光速相比） 运动时的质量与它静止时的质量之间有下面的 关系：
v
车厢长度是5400000km 车厢运行速度240000km/s
车厢上的人和地面上的人看到车厢中间灯光到达 前后车厢的先后是不一样的．
同时的相对性
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同时的相对性 在经典物理家的头脑中，如果两个事件在一个参 考系中看来是同时的，在另一个参考系中看来也一 定是同时的，但是如果接受爱因斯坦的两个假设， 我们会得出“同时是相对的”这样一个结论．
1971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞 行，然后与地面的基准钟对照．实验结果与理论预言符合的 很好．这是相对论的第一次宏观验证．
时空相对性的实验验证
早在1941年，科学家通过对宇宙线的观测证实 了相对论的结论，美国科学家罗西和霍尔在不同 高度统计了宇宙线中μ子的数量，结果与相对论预 言完全一致．
相对论简介 牛顿力学
适用宏观物体的低速 （与光速相比）运动
研究微观粒子的运动
研究宏观物体的高速 （与光速相比）运动
相对论简介
19世纪后半叶，关于电磁场的研究不断深入， 人们认识到了光的电磁本质．我们已经知道，电 磁波是以巨大且有限的速度传播的，因此在电磁 场的研究中不断遇到一些矛盾，这些矛盾导致了 相对论的出现． 相对论不仅给出了物体在高速运动时所遵循的 规律，而且改变了我们对于时间和空间的认识， 它的建立在物理学和哲学的发展史上树立了一座 重要的里程碑．
时间间隔的相对性
由光速不变原理便得 到不同的时间间隔 高速运行的列车上，由车厢底部发出的闪光，对 于车上的人来说，闪光是在竖直方向反射的，而车 厢外的人认为被接收的反射光是沿斜线传播的．
时间间隔的相对性
ct 2 vt 2
h
对于车厢内的人： t 2h c 对于车厢外的人： t
t
时空相对性的实验验证
t t v 1 c
2
v l l 1 c
2
当两个参考系的 相对速度可与光速相 比时，时间与空间的 相对性才比较明显．
狭义相对论的结论已经完全得到证实，实际 上它已经成为微观粒子研究的基础之一．
时空相对性的实验验证
根据相对论， 时间在运动中会进 行的比较缓慢，也 就是说，在空间中 高速移动的时钟， 比固定于地面上的 时钟走得慢．
相对论的时空观
经典物理学建立在实验的基础上，它的结论又 受到无数次实验的检验．虽然相对论具有普遍性， 但是经典物理学作为它在低速运动时的特例，在自 己的适用范围内还将继续发挥作用．
光速＝ c
光速＝ c v
不存在特殊参考系
19世纪后半叶和20世纪初，物理学家们曾经猜想，有 一种叫做以太的介质，弥漫在宇宙中，它是电磁波传播时 所需要的介质，拿以太做参考系时麦克斯韦的电磁理论才 成立．今天看来，以太是某一特殊参考系的代表．麦克尔 逊实验表明不存在这样的特殊参考系，实际上就是宣布宇 宙间不存在以太．
1 m0 v 2 2
质能方程
Ek
1 2 m0 v 2
这就是我们过去熟悉的动能表达式，这也
能让我们看出，牛顿力学是相对论力学在低速 情况下的特例．
相对论的时空观
什么是时间？什么是空间？时间和空间有什么性 质？经典物理学认为空间和时间是脱离物质而存在的， 是绝对的，空间和时间之间是没有联系的，相对论则 认为有物质才有空间和时间，空间和时间与物质的运 动状态有关． 我们生活在低速运动的世界里，因此自然而然地 接受了经典的时空观，过去谁都没有意识到时间与空 间的性质，只有当新的实验事实引出的结论与传统观 念不一致时，人们才回过头来认真思考过去对于空间 和时间的认识．
20世纪最伟大的科学家
观 看 录 像
经典的相对性原理
不同的参考系中观察物体的运动情况可能不同， 物体在空间移动这一概念也是相对的．
在不同参 考系中观 察物体的 运动情况
经典的相对性原理
光速恒定的特性，同运动的相对性原理之间似 乎产生了矛盾？ 但是实验现象表明，不论光源和观察 者做怎样的相对运动，光速都是恒定的． v
m m0 v 1 c
2
m为运动质量
m0为静止质量
相对论质量 微观粒子的速度很高，它的质量明显的大 于静止质量．在研究制造回旋加速器时必须考虑 相对论效应的影响．
1988年，中国第
一座高能粒子加速 器——北京正负电 子对撞机首次对撞 成功
质能方程
物体的能量和质量之间存在着某种联系：