大学物理第6章相对论精品PPT课件
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大学物理,相对论6-3 狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换
伽利略变换与狭义相对论的基本原理不符。
6
第6章 相对论 6.3 狭义相对论的基本原理 洛仑兹变换 和光速不变紧密联系在一起的是：在某一惯性系 中同时发生的两个事件，在相对于此惯性系运动的另 一惯性系中观察，并不一定是同时发生的。
说明同时具有相对性，时间的量度是相对的。
长度的测量是和同时性概念密切相关。
（3）即在低速情况下可以转化为伽利略变换。
10
6.3 狭义相对论的基本原理 二 洛伦兹变换
洛仑兹变换
第6章 相对论
设有两个惯性系 S 系和 S’ 系，各坐标轴相互 平行。 S’ 系相对S系以 u的速度沿 ox 轴运动。 设： t
t' 0
时，
o, o ' 重合。
事件 P 的时空坐标为：
s
o z
7
6.3 狭义相对论的基本原理 明确几点：
洛仑兹变换
第6章 相对论
Hale Waihona Puke 1）第一条原理是对力学相对性原理的推广。 否定了绝对静止参照系的存在。
它表明不论在哪个惯性系中做物理实验（不仅 仅是力学实验），都不能确定该惯性系是静止的、 还是在作匀速直线运动。即对运动的描述只有相 对意义，绝对静止的参考系是不存在的。 2）第二条原理实际上是对实验结果的总结。 它表明：在任何惯性系中测得的真空中的光速都相 等。说明光速与观察者及光源的运动状态无关。
x
x ut 1 (u / c )
t xu / c 2 1 (u / c )
2
2
1 106 0.75 3 108 0.02 1 0.75
2
5.29 10 m
6
t
0.0265 s
大学物理课件--相对论 ppt课件
▲电磁场的物质性与以太的否定。
2. 光速不变原理
在一切惯性系中，光在真空中沿各个方向传 播速度都是C，跟光源与观察者相对速度无关。
基点：电磁理论和迈克p尔pt课件逊实验结果
10
二、洛仑兹变换
前提：♠ 满足光速不变原理和狭义相对性原理
♠ 当u<<c时，换原为伽利略变换
表示：取如下线性变换
x' a11x a12t y' y z' z t ' a21 x a22t
x2 )
ppt课件
13
t2'
t1'
[(t2
t1 )
u c2
( x2
x1 )]
1o 若 x2 x1 t2 t1 则 t2' t1'
—— 在 S 系中同一地点同时发生两件事
，在 S´ 系中也是同时发生。
2o 若 x2 x1 t2 t1 则 t2' t1'
—— 称为同时的相对性
表述2：力学规律在所有惯性系中都是等价的，具 有相同形式。
二、伽利略变换
——相对性原理的数学表达式，是建立在经典时
空观基础上的不同参照系之间的时空变换关系。
ppt课件
3
S与S´关系如下：
x' x ut y' y z' z
x x ut
y y z z
y
y' u
S
S'
P(x, y,z,t)
P(x', y', z',t')
o
第六章狭义相对论
原长最长
2
l
l0
l0
u 1 2 c
运动长度 l l0
★ 注意：长度收缩只发生在速度方向
例4（4357）在O参照系中，有一个静止的正方
形，其面积为100cm2。观测者O’以0.8C的
匀速度沿正方形的对角线运动求O’所测得
的该图形的面积。 解：在O参照系中A、B间对角线长度
在O’参照系中A、B间长 度 ★ O’所测得的该图形的面积
u
例5（4370）在K惯性系中，相距 的两个地方发生两事件，时间间隔 而在相对于K系沿正 方向匀速运动的K’系中 观测到这两事件却是同时发生的。试计算:在 K’系中发生这两事件的地点间的距离是多少？ 解1 ：
解2 :
作业：P339~340 6.1 6.3
6.4
6.5 6.6
练习（5616）一列高速火车以速度 驶过车站时， 固定在站台上的两只机械手在车厢上同时划 出两个痕迹，静止在站台上的观察者同时测 出两痕迹之间的距离为1m，则车厢上的观察 者应测出这两个痕迹之间的距离为多少？ 解：车上观察者测的两痕迹之间的距离 =原长 l0 静止在站台上的观察者同时测出两痕迹之间 的距离 =运动长 l
5 4 u2 1 2 c
0
（2）乙测得这两个事件发生的地点的距离
例2（4167） 子是一种基本粒子，在相对于它静 止的坐标系中测得其寿命为 ，如 果 子相对于地球的速度为 （ 为真空中光速），则在地球坐标系中测 出的 子的寿命 解：设：相对于 子静止的参照系为 S’
★ 在地球坐标系中测出的 子的寿命
两个事件的空间间隔 事件二：测量尺子（棒） 右端坐标
长度 右端坐标 — 左端坐标
★
在相对于尺子（棒）运动的参照系中要 条件： 同时记录尺子（棒）两端的坐标。 （如：相对于尺子（棒）运动的参照系是S’ 系 则： t1’ ） t2’ l x’ x ’
2
l
l0
l0
u 1 2 c
运动长度 l l0
★ 注意：长度收缩只发生在速度方向
例4（4357）在O参照系中，有一个静止的正方
形，其面积为100cm2。观测者O’以0.8C的
匀速度沿正方形的对角线运动求O’所测得
的该图形的面积。 解：在O参照系中A、B间对角线长度
在O’参照系中A、B间长 度 ★ O’所测得的该图形的面积
u
例5（4370）在K惯性系中，相距 的两个地方发生两事件，时间间隔 而在相对于K系沿正 方向匀速运动的K’系中 观测到这两事件却是同时发生的。试计算:在 K’系中发生这两事件的地点间的距离是多少？ 解1 ：
解2 :
作业：P339~340 6.1 6.3
6.4
6.5 6.6
练习（5616）一列高速火车以速度 驶过车站时， 固定在站台上的两只机械手在车厢上同时划 出两个痕迹，静止在站台上的观察者同时测 出两痕迹之间的距离为1m，则车厢上的观察 者应测出这两个痕迹之间的距离为多少？ 解：车上观察者测的两痕迹之间的距离 =原长 l0 静止在站台上的观察者同时测出两痕迹之间 的距离 =运动长 l
5 4 u2 1 2 c
0
（2）乙测得这两个事件发生的地点的距离
例2（4167） 子是一种基本粒子，在相对于它静 止的坐标系中测得其寿命为 ，如 果 子相对于地球的速度为 （ 为真空中光速），则在地球坐标系中测 出的 子的寿命 解：设：相对于 子静止的参照系为 S’
★ 在地球坐标系中测出的 子的寿命
两个事件的空间间隔 事件二：测量尺子（棒） 右端坐标
长度 右端坐标 — 左端坐标
★
在相对于尺子（棒）运动的参照系中要 条件： 同时记录尺子（棒）两端的坐标。 （如：相对于尺子（棒）运动的参照系是S’ 系 则： t1’ ） t2’ l x’ x ’
大学物理第6章狭义相对论ppt课件
既然同时性是相对的，那么早与晚的时间顺序
是否也是相对的呢？即一个参考系早发生的事件，
在另一个参考系看来会晚发生呢？
是可能的。但具有因果关系的事件的时序是不
会颠倒的。
小结
时空与物质的运动是相互联系的; 空间距 离、时间间隔、同时性也是相对的，它们随物 体与观察者的相对运动状态而改变。 这就是狭义相对论的时空观。
x 2,y 2,u0.5c S
2
2
y
S(棒): 棒只在运动方向变长。
x x , y y
1 u2 / c2
o
固有长度:
lo (x)2(y)2=1.08m z
S y u
y
45°
x
o
x
x
z
补充例：π介子静止寿命为2.5×10-8s，实验时测得 其速率为0.99c，在衰变前可运行距离52m 问：实验结果与理论分析是否一致
K ：t(tuc2x)0, 解得: u=0.6c
xx1u2/c24106m
或 x( xu t)4106m
例题6.4.3 S系：两事件发生在同一地点， 且第二事件比第一事件晚发生t=2s；而S： 观测到第二事件比第一事件晚发生t =3s。 在S系中测得发生这两事件的地点之间的距离x是多 少？
解：能否用长度收缩公式？ 不行。
或者说：运动的时钟走得慢些(钟慢)。 时间膨胀(钟慢)是相对性效应，与钟表的具体运 转无关。
3.同时的相对性
设A、B两事件同时发生在S系的不同地点, 即
S : xx2 x1 0,tt2 t1 0
S:
tt2t1(tuc 2x)
ux c2 0
可见，在S系看来同时发生的事件，在S系看来
就不是同时发生的。所以同时性是相对的。
大学物理曲晓波-第6章 狭义相对论
x
x u t 1 u2 /c2
洛 仑
y
y
兹 z z
逆 变 换
t
t
ux c2
1 u2 /c2
洛伦兹逆变换只是把洛伦兹变换中的u→ - u，x与x’，
y与y’，z与z’交换位置。
说明：
①洛伦兹变换表示同一事件在不同惯性系中时空坐标的变换关系。 规定每个惯性系使用对该系统为静止的时钟和尺进行量度。
在所有惯性系中，物理定律的表达形式都相同。这就是爱因 斯坦相对性原理，即相对性原理。
此原理说明所有惯性系对于描述物理规律都是等价的，不存 在特殊的惯性系。可以看出，爱因斯坦相对性原理是力学相对 性原理的推广。
由此可得出，在任何惯性系中进行物理实验，其结果都是一 样的，运动的描述只有相对意义，而绝对静止的参考系是不存 在的。因此不论设计力学实验，还是电磁学实验，去寻找某惯 性系的绝对速度是没有意义的。
S 系v 中 x d d x t,v y d d y t,v z d d z t
v
x
vx 1
u
uvx c2
速 度 变 换
v
y
vy
1 u2 /c2
1
uvx c2
v
z
vz
1 u2 /c2
1
uvx c2
vx
v
x
1
u
u v x c2
速 度 逆 变 换
v
y
v
y
1 u2 /c2Biblioteka 1u v x c2
vz
v
z
1 u2 /c2
1
u v x c2
讨论：
①当u,v（vx,vy,vz)远小于光速ｃ时，相对论速度变换式退化
相对论PPT课件
• 不论光源与观察者 做怎样的相对运动， 光相对于观察者的
速度都是一样的!
三、狭义相对论的两个基本假设
狭义相对论的两个基本假设
狭义相对性原理： 在不同的惯性参考 系中，一切物理规 律都是相同的
光速不变原理： 真空中的光速在不同 的惯性参考系中都是 相同的
到目前为止，这两个基本原理的所有推论都与 事实相符，这就证明了它的正确性
仓内的人想通过力学实验判断仓是惯性系还 是非惯性系
m a
地球
a m
a
无地球
广义相对论简介
狭义相对论
广义相对论
爱因 斯坦 相对
不同的惯性
任何参考系
参考系中一 更进一步 （包括非惯性
广义 相对性原切物源自规律系）中物理规性原
理
都是相同的
律都是相同的
理
光
真空中的光
速
速在不同惯
恒
性参考系中
定
都是相等的
一个均匀的引
16
相对论的速度叠加公式
v
u
车外的人看到车上人
相对地面的速度为：
u
u v
1
uv c2
17
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：
m
m0
1
v
2
c
m为运动质量
m0为静止质量
18
惯性力的定义式
F ma
注意不 要混淆
Fi ma
“－”号表示惯性力的方向 与非惯性系的加速度方向相反．
“m”应该叫做惯性质量．
非惯性系和惯性系
速度都是一样的!
三、狭义相对论的两个基本假设
狭义相对论的两个基本假设
狭义相对性原理： 在不同的惯性参考 系中，一切物理规 律都是相同的
光速不变原理： 真空中的光速在不同 的惯性参考系中都是 相同的
到目前为止，这两个基本原理的所有推论都与 事实相符，这就证明了它的正确性
仓内的人想通过力学实验判断仓是惯性系还 是非惯性系
m a
地球
a m
a
无地球
广义相对论简介
狭义相对论
广义相对论
爱因 斯坦 相对
不同的惯性
任何参考系
参考系中一 更进一步 （包括非惯性
广义 相对性原切物源自规律系）中物理规性原
理
都是相同的
律都是相同的
理
光
真空中的光
速
速在不同惯
恒
性参考系中
定
都是相等的
一个均匀的引
16
相对论的速度叠加公式
v
u
车外的人看到车上人
相对地面的速度为：
u
u v
1
uv c2
17
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：
m
m0
1
v
2
c
m为运动质量
m0为静止质量
18
惯性力的定义式
F ma
注意不 要混淆
Fi ma
“－”号表示惯性力的方向 与非惯性系的加速度方向相反．
“m”应该叫做惯性质量．
非惯性系和惯性系
相对论PPT课件
三、狭义相对论的时空观
1、“同时”的相对
性yBiblioteka yP1 ( x1 , t1 ) ( x1 , t1 )
o
u
P1
o
( x 2 , t 2 ) P2 ( x2 ,t2 )
x x
z
z
由洛仑兹变换有：
t t2 t1
u c2
x
1 2
除非x0 ，否则t 0 ，两件事不是同时发生的。
结论：
在一个惯性系中同时发生的两件事，在其 它的惯性系中不一定是同时发生的,即同时性是 相对的.
（1）经典电子论的创立者----洛仑兹力； （2）洛仑兹变换---推动了相对论的建立； （3）教育家-----无数的科学家是他的学生。
x
x ut
1
u2 c2
y
y
z z
t
t
u c2
x
1
u2 c2
S系 y
P(x, y, z, t)
y
(x, y, z, t)
u
o z
o
x x z
S’系
这就是洛仑兹时空坐标变换式
打开原子核的大门，原子核会分裂； 原子武器和原子能。
总之，这些发现向我们打开了一个全新的世界。
驱散这两朵乌云导致： 相对论的诞生！ 量子论的诞生！
相对论和量子论是现代 科学的两大基石，没有它们， 就没有今天的文明。
§1 力学（伽利略）相对性原理 伽利略变换 §2 狭义相对论 §3 广义相对论简介
伽变换蕴含绝对时空观：时间测量、空间测量与参 考系运动无关，时间和空间也不相联系
二、力学相对性原理
S Fma
S F m a
Fm a
Fm a
力学相对性原理
第06章 狭义相对论
t2
M2 2l
G
30 30
M2
M1
s
T
G
T
s
G M1
M2
N
2Δ
v
v
2
v 2l 2 c
4
l 10m, 500 nm, v 3 10 m/s
N 0.4
实验结果
仪器可测量精度
N 0.01
N 0
31
未观察到地球相对于“以太”的运动.
以后又有许多人在不同季节、时刻、 方向上反复重做迈克尔孙-莫雷实验．近年 来,利用激光使这个实验的精度大为提高, 但结论却没有任何变化． 迈克尔孙-莫雷实验测 到以太漂移速度为零,对以 太理论是一个沉重的打击, 被人们称为是笼罩在9世纪 物理学上空的一朵乌云.
大学物理3
10
热力学和经典统计力学—热力学第一、第二 及第三定律及分子运动论
成功地解释了热现象。 经典电磁理论—麦克斯韦电磁理论 成功地解释了波动光学及许多电磁现象
大学物理3
11 11
•
有一个故事很可以说明在人们心目中，古 典物理学的完善程度。 德国著名的物理学家普朗克年轻时曾向他的 老师表示要献身于理论物理学，老师劝他说： “年轻人，物理学是一门已经完成了的科学， 不会再有多大的发展了，将一生献给这门学科， 太可惜了！”
凭直觉，爱因斯坦给出的答案是：
爱因斯坦说： “只有大胆的思辨而不是经验的堆积，才能 使我们进步。”
36
二、爱因斯坦的两个重要假设
⑴ 物理规律对所有惯性系都是一样的,不存在任 何一个特殊的(例如“绝对静止”的)惯性系
——爱因斯坦相对性原理
⑵ 在任何惯性系中,光在真空中的速率都相等
大学物理第6章 狭义相对论
基本物理规律（包括力学规律）的方程，是 洛仑兹变换下的协变式： 在洛仑兹变换下，方
程的形式不变。
20
§2 洛仑兹变换
光速不变原理和爱因斯坦相对性原理所蕴含 的时空观，应该由一个时空变换来表达。早在 1899年，洛仑兹就给出了惯性系间的时空变换 式，即洛仑兹变换。 但洛仑兹导出他的时空变换时却以“以太” 存在为前提，并认为只有t才代表真正的时间， 而t'只是一个辅助的数学量。
第6章 狭义相对论
在上世纪初，发生了三次概念上
的革命，它们深刻地改变了人们对
物理世界的了解，这就是狭义相对 论（1905）、广义相对论（1916）
和量子力学（1925）。
2
Albert Einstein
1879 –1955
3
狭义相对论运动学 §1 光速不变和爱因斯坦相对性原理 §2 洛仑兹变换 §3 同时性的相对性和时间延缓
在讨论时空的性质时，我们总是用事件的时 空坐标，或用事件的时空点来代表事件，而不 去关心事件的具体物理内容，即不去关心到底 发生了什么事情。 22
时空变换：同一事件在两个惯性系中的时空 坐标和之间的变换关系。 y y P ( x, y, z, t ) u ( x , y, z , t )
B
L2
地球公转
u
A
L1
S
P
实验目的：干涉仪转 90° ，观测干涉条纹是 否移动？
实验结果：条纹无移动 (零结果)。以太不存在 ，光速与参考系无关。
8
干涉条纹
B
L2
地球公转
按照伽利略速度变换
u
A
L1
t PAP
S
L1 L1 2 L1 2 2 c u c u c (1 u c )
大学物理上册课件：第6章 狭义相对论
在S '系中：
x
由相对性原理和光速
O
O
x
不变原理得：
z
z
x
x ut
1 2
x
x＋ut
1 2
y y
z
z
洛仑兹变换
t
t
ux
/
c2
u c
1 2
y y
z
z
洛仑兹逆变换
t
t ux / c 2
1 2
例题6-1 在地面参考系S中的x =1.0×106m处，在t = 0.02s时 刻爆炸了一颗炸弹。若有一沿轴正向以u = 0.75c的速率飞行的 飞船，试求在飞船参考系S′中的观察者测得这颗炸弹爆炸的地 点和时间。
6.2 狭义相对论的时空观
一、同时的相对性
事件1
事件2
S ( x1、y1、z1、t1 )
S ( x1、y1、z1、t1 )
( x2、y2、z2、t2 )
( x2、y2、z2、t2 )
S 相对 S 系以速度 u 沿x 轴正向运动，由洛仑兹变换得：
Δx Δx uΔt
1 2
Δt Δt uΔx / c2
1 2
Δx Δx uΔt
1 2
Δt uΔx / c 2 Δt
2
1、不同地事件的同时性是相对的。
Δx Δx uΔt
1 2
Δt Δt uΔx / c2
1 2
Δx uΔt Δx
1 2
Δt uΔx / c2 Δt
1 2
即x 0, t 0时 ，t ux / c2
当t
ux c2
0时 ， 事 件1后 于 事 件2发 生 。
如果事件的先后次序是相对的，那么会不会在某个参
相对论基本原理课件PPT
详细描述
相对性原理源自伽利略的相对运动原理，即两个相对运动的 惯性参照系中，测量和观察到的物理现象应该是一样的。这 意味着我们无法通过任何实验来区分我们所在的参照系是静 止的还是匀速运动的。
光速不变原理
总结词
光速不变原理是相对论的另一个基本假设，它指出光在真空中的速度对于任何观 察者都是恒定不变的，不依赖于光源或观察者的运动状态。
推导时间和空间相对性
由于光速不变，狭义相对论推导出时间和空间的相对性，即时间和 空间不再是绝对的，而是相对于观察者的参考系而言。
引入洛伦兹变换
为了协调不同参考系之间的测量结果，狭义相对论引入了洛伦兹变 换，用于描述不同参考系之间的时空坐标的变换关系。
狭义相对论的结论
时间膨胀
狭义相对论得出，当物体以接近光速运动时，其 内部的时间相对于静止观察者会变慢。
在相对论中，时间和空间不再是绝对的、固定的，而是与物体的运动状态密切相关。当物体加速运动时，会发现 时间变慢、空间收缩的现象，这被称为时间膨胀和空间收缩效应。这一观念的提出对经典物理学中的绝对时空观 念产生了深刻的影响。
03
CATALOGUE
狭义相对论
狭义相对论的推导
假设光速不变
狭义相对论基于光速不变原理，即无论观察者如何移动，光速在 真空中的传播速度都是恒定的。
长度收缩
同时，狭义相对论还得出，当物体以接近光速运 动时，其长度会相对于静止观察者缩短。
速度极限
狭义相对论确立了光速作为自然界的速度极限， 任何物体的速度都不可能超过光速。
狭义相对论的意义
1 2
奠定现代物理基础
狭义相对论彻底改变了人们对时间和空间的观念 ，为现代物理学的发展奠定了基础。
解释现象
相对性原理源自伽利略的相对运动原理，即两个相对运动的 惯性参照系中，测量和观察到的物理现象应该是一样的。这 意味着我们无法通过任何实验来区分我们所在的参照系是静 止的还是匀速运动的。
光速不变原理
总结词
光速不变原理是相对论的另一个基本假设，它指出光在真空中的速度对于任何观 察者都是恒定不变的，不依赖于光源或观察者的运动状态。
推导时间和空间相对性
由于光速不变，狭义相对论推导出时间和空间的相对性，即时间和 空间不再是绝对的，而是相对于观察者的参考系而言。
引入洛伦兹变换
为了协调不同参考系之间的测量结果，狭义相对论引入了洛伦兹变 换，用于描述不同参考系之间的时空坐标的变换关系。
狭义相对论的结论
时间膨胀
狭义相对论得出，当物体以接近光速运动时，其 内部的时间相对于静止观察者会变慢。
在相对论中，时间和空间不再是绝对的、固定的，而是与物体的运动状态密切相关。当物体加速运动时，会发现 时间变慢、空间收缩的现象，这被称为时间膨胀和空间收缩效应。这一观念的提出对经典物理学中的绝对时空观 念产生了深刻的影响。
03
CATALOGUE
狭义相对论
狭义相对论的推导
假设光速不变
狭义相对论基于光速不变原理，即无论观察者如何移动，光速在 真空中的传播速度都是恒定的。
长度收缩
同时，狭义相对论还得出，当物体以接近光速运 动时，其长度会相对于静止观察者缩短。
速度极限
狭义相对论确立了光速作为自然界的速度极限， 任何物体的速度都不可能超过光速。
狭义相对论的意义
1 2
奠定现代物理基础
狭义相对论彻底改变了人们对时间和空间的观念 ，为现代物理学的发展奠定了基础。
解释现象
大学物理课件-相对论
u 是恒量
ay ay az az
ax ax ay ay az az
a' a
請大家自己寫出速度、加速度的逆變換式
四. 牛頓運動定律具有伽利略變換的不變性
S S
m
a
m a
F F
FF mmaa
在牛頓力學中 • 力與參考系無關 • 品質與運動無關
對於不同的慣性系，一切力學定律經伽利略變換形式相同
不是c， 而是和地球的運動速度和方向有關:
c
c
u
u
(c u)
(c u)
實驗原理：光的干涉。通過觀測干涉條紋的移動來測量 光速、精度很高。
實驗精度可達0.01個條紋移動，按推測應該出現0.4個條紋移動.
實驗結果：沒有看到預期的條紋移動（零結果）。
1
有一部分人不相信邁克爾孫——莫雷實驗實驗的真實性， 繼續改進實驗設備作實驗。而且春天作了夏天作，秋天 作了冬天作；平地作了高山作…實驗精度越來越高，能 作實驗的人越來越多，乃至幾乎每個大學都能作，但結 果仍然一樣，地球上的光速與地球速度無關。
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近代物理基礎
• 19世纪之前物理学的伟大成就
牛 頓 力學 麥克斯韋電磁場理論
熱力學與經典統計理論 力、電、光、聲----等都遵循的 規律---能量轉化與守恆定律
19世紀後期，經典物理學的三大理論體系使經典物理學 已趨於成熟。
當時許多物理學家都沉醉於這些成績和勝利之中。他們 認為物理學已經發展到頭了。
近代物理學的兩大支 柱，逐步建立了新的 物理理論。
強調 近代物理不是對經典理論的補充，而是全新的理論。 近代物理不是對經典理論的簡單否定。
一首聞名的詩
自然和自然規律 隱藏在黑夜之中，
ay ay az az
ax ax ay ay az az
a' a
請大家自己寫出速度、加速度的逆變換式
四. 牛頓運動定律具有伽利略變換的不變性
S S
m
a
m a
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在牛頓力學中 • 力與參考系無關 • 品質與運動無關
對於不同的慣性系，一切力學定律經伽利略變換形式相同
不是c， 而是和地球的運動速度和方向有關:
c
c
u
u
(c u)
(c u)
實驗原理：光的干涉。通過觀測干涉條紋的移動來測量 光速、精度很高。
實驗精度可達0.01個條紋移動，按推測應該出現0.4個條紋移動.
實驗結果：沒有看到預期的條紋移動（零結果）。
1
有一部分人不相信邁克爾孫——莫雷實驗實驗的真實性， 繼續改進實驗設備作實驗。而且春天作了夏天作，秋天 作了冬天作；平地作了高山作…實驗精度越來越高，能 作實驗的人越來越多，乃至幾乎每個大學都能作，但結 果仍然一樣，地球上的光速與地球速度無關。
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近代物理基礎
• 19世纪之前物理学的伟大成就
牛 頓 力學 麥克斯韋電磁場理論
熱力學與經典統計理論 力、電、光、聲----等都遵循的 規律---能量轉化與守恆定律
19世紀後期，經典物理學的三大理論體系使經典物理學 已趨於成熟。
當時許多物理學家都沉醉於這些成績和勝利之中。他們 認為物理學已經發展到頭了。
近代物理學的兩大支 柱，逐步建立了新的 物理理論。
強調 近代物理不是對經典理論的補充，而是全新的理論。 近代物理不是對經典理論的簡單否定。
一首聞名的詩
自然和自然規律 隱藏在黑夜之中，
相对论ppt课件
为 0.99c8，
计算（1）在地球上测得子的 平均寿命；（2）上述子在衰
变前在地球中通过的平均路程
解：（1）由于子相对地球的速率 0.9，9其c8
固有时间为 02.15106s
则其平均寿命为
0
3.4105s
1v2c2
（2）在时间 内， 子相对地球所经历的路程
yv1.0 2140m与实验结果相符！
说明
x2 x1 l
l0
12
(
)
错在哪里？
（2）长度收缩发生在相对运动
的方向上 (yy',zz')
3、时间的延缓
设在 系s 中一只静止的钟，在同一地点
(间x1） )t纪x2录t2 两事t，1 件则的0 在时系间中间s记隔录（的固时有间时间隔
为多少？t t2 t1
由洛伦兹变换式得
t2t1t2 t11cv2x22 x1
三、狭义相对论的基本原理
1、相对性原理 物理定律在所有惯性系中具 有相同的表述形式
2、光速不变原理 真空中的光速是常量，不依赖于惯性系
的选择，与光源或观察者的运动无关。
（1964-1966年，欧洲核子中心的实验直接验证 了光速不变的原理：
以 0.99的9高7速c5飞行的 介子， 在0 飞行中辐
射光子，得到光子的实验室速度数值仍然是 ）
3c4 5 9 10 8 m
4
5
例题4、设一容器长 l ，以速
率 vvc 沿长度方向运动，
某时刻由容器尾部沿长度方
向发射一粒子。以 u相对容器
飞行，求在地面观察，该粒子从尾部到前端 时间
解：考虑相对论效应，取容器为 s系，则
在 系s中，粒子从尾部到前端时间为
t'
计算（1）在地球上测得子的 平均寿命；（2）上述子在衰
变前在地球中通过的平均路程
解：（1）由于子相对地球的速率 0.9，9其c8
固有时间为 02.15106s
则其平均寿命为
0
3.4105s
1v2c2
（2）在时间 内， 子相对地球所经历的路程
yv1.0 2140m与实验结果相符！
说明
x2 x1 l
l0
12
(
)
错在哪里？
（2）长度收缩发生在相对运动
的方向上 (yy',zz')
3、时间的延缓
设在 系s 中一只静止的钟，在同一地点
(间x1） )t纪x2录t2 两事t，1 件则的0 在时系间中间s记隔录（的固时有间时间隔
为多少？t t2 t1
由洛伦兹变换式得
t2t1t2 t11cv2x22 x1
三、狭义相对论的基本原理
1、相对性原理 物理定律在所有惯性系中具 有相同的表述形式
2、光速不变原理 真空中的光速是常量，不依赖于惯性系
的选择，与光源或观察者的运动无关。
（1964-1966年，欧洲核子中心的实验直接验证 了光速不变的原理：
以 0.99的9高7速c5飞行的 介子， 在0 飞行中辐
射光子，得到光子的实验室速度数值仍然是 ）
3c4 5 9 10 8 m
4
5
例题4、设一容器长 l ，以速
率 vvc 沿长度方向运动，
某时刻由容器尾部沿长度方
向发射一粒子。以 u相对容器
飞行，求在地面观察，该粒子从尾部到前端 时间
解：考虑相对论效应，取容器为 s系，则
在 系s中，粒子从尾部到前端时间为
t'
相对论PPT课件
02
狭义相对论主要内容及推 导
洛伦兹变换公式及其应用
01
02
03
洛伦兹变换公式
描述不同惯性参考系之间 物理量的变换关系，包括 时间、空间坐标、质量和 能量等。
公式推导
基于光速不变原理和狭义 相对性原理，通过数学推 导得到洛伦兹变换公式。
应用举例
解释迈克尔逊-莫雷实验、 计算粒子在加速器中的运 动轨迹等。
相对论PPT课件
目录
• 相对论基本概念与原理 • 狭义相对论主要内容及推导 • 广义相对论主要内容及推导
目录
• 相对论在现代物理学中地位和作用 • 相对论实验验证及挑战问题探讨 • 总结与展望
01
相对论基本概念与原理
相对论提出背景及意义
03
经典物理学的困境
爱因斯坦的贡献
相对论的意义
19世纪末，经典物理学在解释光速不变、 黑体辐射等问题上遇到困难，需要新的理 论框架。
意义
奠定了广义相对论的基础，将引力与时空几何联 系起来。
实验验证
自由落体实验、厄缶实验等验证了等效原理的正 确性。
引力场方程简介与求解方法
引力场方程
描述物质分布如何决定时近似）和数值方法。
经典解
史瓦西解（描述静态球对称天体）、克尔解（描述旋转黑洞）等。
时间膨胀现象解释与实验验证
时间膨胀现象
01
指相对于静止观察者，运动物体的时间流逝会变慢。
解释
02
根据狭义相对论，运动物体的时间间隔与静止观察者观测到的
时间间隔不同，导致时间膨胀现象。
实验验证
03
通过比较不同惯性参考系中的原子钟走时，可以验证时间膨胀
现象的存在。
长度收缩现象解释与实验验证
相对论PPT教学课件
如果你是一名神经科医生，对于 人们在日常生活中应该如何保护神经 系统，你有什么建议？如果保护不当， 会引起哪些神经系统疾病呢？
1、在训练时，应做好充分的准备活动后再进行锻炼。 2、与同学玩闹时，不要拍打头部和脖子部位。
3、多吃一些有益于神经系统健康的食物。
4、按时睡觉，让神经系统得到充分的休息。
传导神经冲动
传导神经冲动
上皮细胞 口腔上皮细胞
红细胞
白细胞
肌肉细胞
神经细胞
神经元 的电镜 照片
神经元模式图
1．某人右侧躯体半身不遂，这是由于此人大脑的 什么中枢受到损伤而引起的？
2．人喝酒喝醉了，走路摇晃，站立不稳，这是由于 脑的哪一部分被酒精麻痹而引起的？
3．胸段脊髓完全横断的病人，为什么会出现大小 便失禁？
神经系统的组成
神经系统各组成部分的功能
中
枢 神
脑
经
系
统
大脑 小脑 脑干
具有感觉、语言、运动等多种神经中枢，调节 人体多种生理活动
使运动协调、准确，维持身体平衡
有专门调节心跳、呼吸、血压等人体基本生 命活动的部位
脊髓
周 围 脑神经 神 经 系 统 脊神经
能对外界或体内的刺激产生有规律的反应， 还能将对这些刺激的反应传导到大脑，是脑 与躯干、内脏之间的联系通路
5、经常运动可使神经细胞的反应灵活，提高 大脑皮层的兴奋性，保持神经系统的健康。
6、与神经系统有关的疾病有神经衰弱、脑血 栓、癫痫、神经性皮炎、脑瘫、神经性耳聋等。
由于一侧肢体的运动受到脑血栓的影响。
患者二： 一位运动员在跳马比赛中，不幸摔伤腰部，腰部脊髓因此 受到了严重损害。尽管及时进行了治疗，并且该运动员的 下肢没有任何损伤，动形成了截瘫：下肢丧失运动功能， 大小便失禁。
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经典力学
高速领域 微观领域
相对论 量子力学
今天来介绍相对论
第相十对八章论-教--学关基于本时要空求观及时空与物质关系的理论。 （所谓经典力学遇到障碍就是经典力学的 时空观出现了问题，相对论从根本上改变 了经典的时空观。） 相对论有狭义相对论广义相对论之分：
狭义相对论（special relativity） 关于惯性系时空观的理论；
对于任何惯性参照系 , 牛顿力学的规律都具有 相同的形式 . 这就是经典力学的相对性原理 .
第十八章 教学基本要求
伽利略变换
当 tt'0时
o 与 o'重合
位置坐标变换公式
x'x v t
y' y
z'z t't
s
y
y s'
y'
y'
v
P(x, y, z)
*
(x', y', z')
vt
x'
o
z z
o' z' z'
x'
x
z z'
第十八章 教学基本要求
试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达 到观察者所需要的时间. (根据伽利略变换)
球 投
c
出
d
前
t1
d c
球 投
v cv
出 后
t2
c
d
v
t1 t2
结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.
第十八章 教学基本要求
900 多年前（公元1054年5月）一次著名的超新星 爆发， 这次爆发的残骸形成了著名的金牛星座的蟹状 星云。北宋天文学家记载从公元 1054年 ~ 1056年均能 用肉眼观察, 特别是开始的 23 天, 白天也能看见 .
牛顿的绝对时空观
牛顿力学的相对性原理
实践已证明 , 绝对时空观是不正确的.
第十八章 教学基本要求
对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式 是一样的吗 ？
真空中的光速
c
1
00
2.998108m/s
对于两个不同的 惯性参考系 , 光速满 足伽利略变换吗 ？
c ' c v ?
y
s
s'
y'
cv
o o'
20世纪最伟大的物理学家, 于 1905年和1915年先后创立了狭义相 对论和广义相对论, 他于1905年提 出了光量子假设, 为此他于1921年 获得诺贝尔物理学奖, 他还在量子 理论方面具有很多的重要的贡献 .
爱因斯坦的哲学观念：自然 界应当是和谐而简单的.
理论特色：出于简单而归于 深奥.
第十八章 教学基本要求
“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有 两朵令人不安的乌云，----”
第十八章 教学基本要求
这两朵乌云是指什么呢？
热辐射实验
迈克尔逊莫雷实验
后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为 一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨， 浇灌着两朵鲜花。
第十八章 教学基本要求
相对论问世 普朗克量子力学的诞生
这两朵乌云到底是什么回事呢？
第十八章 教学基本要求
第十八章 教学基本要求
教学基本要求
一 了解爱因斯坦狭义相对论的两条基本原 理，以及在此基础上建立起来的洛伦兹变换式.
二 了解狭义相对论中同时的相对性，以及 长度收缩和时间延缓的概念，了解牛顿力学的 时空观和狭义相对论的时空观以及二者的差异.
三 理解狭义相对论中质量、动量与速度的 关系，以及质量与能量间的关系.
当一颗恒星在发生超新星爆发时, 它的外围物质向 四面八方飞散, 即有些抛射物向着地球运动, 现研究超 新星爆发过程中光线传播引起的疑问 .
A 物质飞c散 速v 度 v15k0m 0 /s
B
c l = 5000 光年
第十八章 教学基本要求
A 点光线到达 地球所需时间
tA
c
l
v
B 点光线到达 地球所需时间
一 狭义相对论的基本原理 1）爱因斯坦相对性原理：物理定律在所有的
惯性系中都具有相同的表达形式 . 相对性原理是自然界的普遍规律.
第十八章 教学基本要求
于是1900年英国物理学家开尔文在瞻望20世 纪物理学的发展的文章中说到：
“在已经基本建成的科学大厦中， 后辈的物理学家只要做一些零碎的 修补工作就行了。” 也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后 一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据 的小数点后面在加几位罢了！
但开尔文毕尽是一位重视现实和有眼力的 科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：
第十八章 教学基本要求
概述(Summarize)
也许我们还沉醉于对牛顿定律的欣赏之中，如果 这样，那真是无独有偶，历史上也有过这样现象。
19世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得 了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分 子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体 的内能。在电磁学方面，建立了一个能推断一 切电磁现象的 Maxwell方程。另外还找到了力、 电、光、声----等都遵循的规律---能量转化与 守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于这些成 绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头 了。
在两相互作匀速直线运动的惯性
a'zaz 系中，牛顿运动定律具有相同的形式.
第十八章 教学基本要求
注意
牛顿力学的相对性原理，在宏观、 低速的范围内，是与实验结果相一致
的.
二 经典力学的绝对时空观
相对于不同的参考系 , 长度和时间的测量结果 是一样的吗?
绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无 关 , 长度和时间的测量是绝对的.
x
x'
x
经典力学认为：1）空间的 量度是绝对的，与参考系无关； 2）时间的量度也是绝对的，与 参考系无关 .
第十ห้องสมุดไป่ตู้章 教学基本要求
伽利略速度变换公式
u'xuxv
u'y uy
u'z uz
加速度变换公式
a'x ax a'y ay
sy
y
s'
y'
y'
v
P(x, y, z)
*
(x', y', z')
F zz om va tz o'z ''a xa x'F ' m a xx''
t
B
l c
理论计算观察到超新性爆发的强光的时间持续约
ttBtA2年 5
实际持续时间约为 22 个月, 这怎么解释 ?
A 物质飞c散 速v 度 v15k0m 0 /s
B
c l = 5000 光年
第十八§章6-2教.5学基爱本因要斯求坦相对论原理 洛伦兹变换式
Albert Einstein ( 1879 – 1955 )
广义相对论（General relativity） 关于一般参照系及引力的理论；
相对论从根本上改变了旧的经典的时空观，那 么，什么是旧的、经典的时空观呢？
第十八章 教学基本要求
§ 6-1 牛顿相对性原理和伽利略变换
一 伽利略变换式 经典力学的相对性原理
相对于不同的参考系 , 经典力学定律的形式是 完全一样的吗 ？ 牛顿力学的回答: