狭义相对论的基本概念
4.3 狭义相对论基本原理 相对时空观
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S
y S' O
u y' O' c c c x' c x
在S系中, 若按伽利略变换: 往左:v=c-u 往右:v=c+u
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讨论：
1 Einstein 的相对性理论 是 Newton理论的发展 一切物理规律 力学规律
解1：以地面为参照系 介子寿命延长。 用经典时空观 介子所走路程
y 0.998c 0 8 6 y 0.998 3 10 2.15 10 644(m )
还没到达地面，就已经衰变了。但实际探测 仪器不仅在地面，甚至在地下 3km 深的矿井 中也测到了 介子。
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S
S
u
弟 a. e f 弟 0 .
x
x
x
) 花开事件：( x, t1 S 系x处发生两个事件 ) ( x, t 2 花谢事件：
t1 （寿命） t t2
在S系中观察者测量花的寿命是多少？
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S
第三节
狭义相对论基本原理 相对时空观
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一、 狭义相对论的两条基本原理
爱因斯坦在1905年发表的《论动体的电动力学》 论文中提出了狭义相对论两条基本原理 1.相对性原理
所有物理规律在一切惯性系中都具有相同形式。 （所有惯性系都是平权的，在它们之中所有物理规 律都一样） 2.光速不变原理
2 光速不变与伽利略变换 与伽利略的速度相加原理不相容
狭义相对论与广义相对论
狭义相对论与广义相对论一、狭义相对论1. 历史背景- 19世纪末，经典物理学在解释一些新的实验现象时遇到了困难。
例如，迈克尔逊 - 莫雷实验试图测量地球相对于“以太”的运动，但结果显示不存在这种运动，这与经典的绝对时空观相矛盾。
- 麦克斯韦方程组在经典力学的伽利略变换下不具有协变性，这意味着电磁现象的规律在不同惯性系中表现不一致，而当时人们认为应该存在一种统一的变换使得电磁规律在所有惯性系中形式相同。
2. 基本假设- 相对性原理：物理定律在所有惯性参考系中都是相同的。
这意味着在任何惯性系（静止或匀速直线运动的参考系）中做物理实验，得到的结果都遵循相同的物理定律。
- 光速不变原理：真空中的光速在所有惯性参考系中都是恒定的，与光源和观察者的相对运动无关。
例如，无论你是静止地观察一束光，还是在高速运动的飞船上观察同一束光，你测量到的光速都是c = 299792458m/s。
3. 主要结论- 时间延缓（时间膨胀）：运动的时钟会变慢。
设Δ t为静止参考系中的时间间隔（固有时间），Δ t'为相对于该参考系以速度v运动的参考系中的时间间隔，则Δt'=(Δ t)/(√(1 - frac{v^2)){c^{2}}}。
例如，在一艘高速飞行的宇宙飞船中的时钟，相对于地球上的时钟会走得更慢。
- 长度收缩：运动物体的长度在其运动方向上会收缩。
设L为物体在静止参考系中的长度（固有长度），L'为相对于该参考系以速度v运动的参考系中测量到的长度，则L' = L√(1-(v^2))/(c^{2)}。
例如，一根高速运动的尺子，在静止观察者看来，其长度会变短。
- 相对论质量：物体的质量会随其运动速度的增加而增大。
设m_0为物体的静止质量，m为物体以速度v运动时的质量，则m=(m_0)/(√(1-frac{v^2)){c^{2}}}。
当物体的速度接近光速时，其质量趋近于无穷大，这也是为什么有静止质量的物体不能达到光速的原因之一。
狭义相对论两个基本假设
狭义相对论两个基本假设
狭义相对论是爱因斯坦于1905年提出的一种物理学理论，其基本假设包括以下两个方面：
1. 等效原理：在任何惯性参考系中，物理定律都是相同的。
也就是说，无论观察者处于何种状态，他们都将观察到相同的物理现象，并且这些现象可以用同样的物理定律来描述。
这一原理的基本含义是，物理学的基本规律应该是不变的，而观察者的运动状态不会影响这些规律的适用性。
2. 光速不变原理：光速在任何惯性参考系中都是不变的。
也就是说，无论观察者处于何种状态，他们都将观察到光速不变的现象。
这一原理的基本含义是，光速是一个自然常数，不受观察者的运动状态的影响，也不受介质的影响。
这两个基本假设是狭义相对论的基础，它们为狭义相对论提供了理论基础和实验验证，也为后来的广义相对论和量子力学等物理学理论的发展奠定了基础。
狭义相对论的基本原理与实验验证
狭义相对论的基本原理与实验验证狭义相对论，由爱因斯坦于1905年提出，是现代物理学的重要理论之一。
它在描述高速相对运动物体时，对于时间、空间和质量的变化提供了全新的视角。
本文将从狭义相对论的基本原理、实验验证、应用及其他专业性角度等四个方面对该理论进行详细解读。
首先，我们来了解狭义相对论的基本原理。
狭义相对论的基本原理包括两个关键概念：相对性原理和光速不变原理。
相对性原理指出自然法则在任何相互匀速运动的参考系中都是相同的，即无法通过相对运动来测定自身的运动状态。
光速不变原理指出光速在任何参考系中都是不变的，不受光源或观测者速度的影响。
这两个原理对于重新定义时间、空间和质量的观念提供了基础。
为了验证狭义相对论的理论，科学家们进行了许多重要的实验。
其中最著名的实验是麦克斯韦实验和麦氏-莫雷实验。
麦克斯韦实验是为了验证光速不变原理，通过测量光在不同参考系中的传播速度，结果发现光速确实在不同参考系中保持不变。
而麦氏-莫雷实验则是为了验证相对性原理，通过测量垂直于运动方向的光速是否有差异，结果也发现光速不受运动影响。
这些实验证明了狭义相对论的基本原理是正确的。
狭义相对论的应用广泛，其中最重要的应用之一是GPS导航系统。
由于GPS卫星高速运行，所处的引力场也较地球表面不同，导致时间在GPS卫星与地面接收器之间存在微小差异。
这种时间差异如果不考虑狭义相对论的修正，可能导致导航的误差。
因此，在GPS系统中需要对相对论修正进行精确计算，以确保导航定位的准确性。
除了GPS导航系统外，狭义相对论的应用还涉及到粒子物理学、核物理学以及黑洞等领域的研究。
在粒子物理学中，狭义相对论对高能粒子的运动轨迹和反应过程提供了重要的理论基础。
在核物理学中，狭义相对论揭示了质能关系的实质，即E=mc²，它将质量与能量紧密联系起来。
在黑洞研究中，狭义相对论的概念和公式被用来描述黑洞的形成和属性，为进一步研究宇宙演化提供了理论依据。
狭义相对论的主要内容
狭义相对论的主要内容
狭义相对论（Special Theory of Relativity）是阿尔伯特·爱因斯坦在1905年发表的题为《论动体的电动力学》一文中提出的区别于牛顿时空观的新的平直时空理论。
“狭义”表示它只适用于惯性参考系。
这个理论的出发点是两条基本假设：狭义相对性原理和光速不变原理。
理论的核心方程式是洛伦兹变换（群）（见惯性系坐标变换）。
狭义相对论预言了牛顿经典物理学所没有的一些新效应（相对论效应），如时间膨胀、长度收缩、横向多普勒效应、质速关系、质能关系等。
狭义相对论已经成为现代物理理论的基础之一：一切微观物理理论（如基本粒子理论）和宏观引力理论（如广义相对论）都满足狭义相对论的要求。
这些相对论性的动力学理论已经被许多高精度实验所证实。
狭义相对论不仅包括如时间膨胀等一系列推论，而且还包括麦克斯韦－赫兹方程变换等。
狭义相对论需要使用引入张量的数学工具。
狭义相对论是对艾萨克·牛顿时空理论的拓展，要理解狭义相对论就必须理解四维时空，其数学形式为闵可夫斯基几何空间。
现在对于物理理论新的分类标准，是以其理论是否是决定论来划分经典与非经典的物理学，非量子理论都可以叫经典或古典理论。
在此意义上，狭义相对论仍然是一种经典的理论。
大学物理相对论复习资料
⼤学物理相对论复习资料狭义相对论基本内容⼀、狭义相对论的基本原理1. 迈克⽿逊实验迈克⽿逊莫雷实验的⽬的是测定地球相对以太的速度，实验结果：地球相对以太的速度为零，当时的物理理论不能解释该实验结果。
2. 爱因斯坦狭义相对论的基本假设相对性原理：物理学定律在所有的惯性系中形势都是相同的，即⼀切惯性系都是等价的。
光速不变原理：在所有的惯性系中，真空中（⾃由空间）光速具有相同的量值c 。
⼆、狭义相对论时空观1. 洛仑兹变换⼀个事件在惯性系S 中的时空坐标为(x, y, z, t)，在沿x 轴以速度v 匀速运动的另⼀惯性系S '中的时空坐标为()x ,y ,z ,t ''''（0t t '==时刻两惯性系原点重合且相应轴重合），则该事件的时空坐标的变换关系称为洛仑兹变换：=-===-2'('''(x x vt y y z z v t t x c或?=+=??==+??2('''('x x vt y y z z v t t x c2. 同时是相对的两个事件在⼀个惯性系中同时同地发⽣，在⼀切惯性系中该两事件必同时同地发⽣；两个事件在⼀个惯性系中不同地点同时发⽣，在其它惯性系中该两事件不⼀定同时发⽣。
3. 时钟变慢（时间变缓）在⼀个惯性系中同⼀地点先后发⽣的两事件，在该惯性系静⽌的时钟测得的时间间隔为固有时间0τ，在另⼀相对该惯性系以速度v 匀速运动的时钟测得的时间间隔为t ?，两者的关系为?γττ==0t 。
4. 尺缩短（长度收缩）观测者与尺相对静⽌时测得尺长称固有长度0L ，观测者沿尺长⽅向以速度v 匀速运动时测得尺长为L ，两者关系为=L L 观察者垂直于尺长⽅向以速度v 匀速运动时测得尺长为L '，0L L '=。
5. 狭义相对论时空观与经典时空观的⽐较当v c 时在x ≯ct 的时空范围内洛仑兹变换转化为伽利略变换，经典时空观是上述条件下狭义相对论时空观的极限。
狭义相对论的基本原理
3)当 u « c 时，γ→1
x' (x ut)
正变换
y' y
回到伽利略变换
z' z
t' (t ux / c2 )
x x ut y y z z t t
4) u > c 变换无意义, 存在极限速度c .
5) 洛仑兹变换与伽利略变换相比，洛仑兹变换中的时 间坐标和空间坐标相互联系在一起 ，不再是独立的了 。时间与空间的测量都与参照系有关，这种新的时空 观叫做狭义相对论的时空观。
1
t' t ux / c2 (t ux / c2 ) 相对论因子
1 (v / c)2
这种变换是已知事件在S系中的时空坐标（x，y，z，
t）变换成事件在S/系中的时空坐标（x/，y/，z/，t/）
。这种变换称为坐标正变换。
6
由S/系到S系的逆坐标变换为：
S系
x'ut'
x
(x'ut')
x2 y2 z2 c2t 2 (1)
S
u
xx O O’ ’
x2 y2 z2 c2t2 (2)
站在S和S/的人都认为自 己是静止不动的，而且
•由发展的观点：
光速也不变的。
u<<c 情况下，狭义 牛顿力学 y y z z
•由于客观事实是确定的：
x, y, z, t 对应唯一的 x, y, z, t
下面的任务是，根据
设： x x t (3) 上述四式，利用比较
t x t
(4)
系数法，确定系数
。
5
最后得到洛仑兹坐标变换：
相对论动力学 广义相对论简介 相对论3
作 v2 ~ Ek 曲线
贝托齐电子极限速率实验（1962）
⎛ ⎛ E ⎜ 1−⎜ 1+ ＋ k ⎞ 2= ⎟ v ⎜ m c2 ⎟ ⎜ ⎜ ⎝ 0 ⎠ ⎝
−2 ⎞
－
⎟ c2 ⎟ ⎟ ⎠
实验结果： 电子极限速度等于真空中的光速
2、质能关系
E k = mc 2 − m0 c 2
爱因斯坦认为：E0 = m0 c2 为 静止能量
x
dE k = mv d v + v d m
2
由m=
m0 1− v / c
2 2
m (c −v )= m c
2 2 2
2 2 0
2 mc dm − 2 mv dm − 2 m vdv = 0
2 2 2
mv d v = (c − v ) d m
2 2
代入dEk表达式中
d Ek = c d m
2
由于物体从静止开始运动，两边积分
v
at
m
•
r a
an
r r r dm r F = m ( a n n + a tτ ) + v dt
r r r dm F = ma + v dt
dm r r r = ma n n + ma tτ + v τ dt
at
m
•
Ft
r v
r a
r F
r dm r r F = man n + ( mat + v )τ dt r r v
−u S
0
v′ = − u A
A
m′ A
v′ = u B
0′
B
x′
M′
4-2狭义相对论的基本原理
y y’ S v S’
1 2
O O’
1
P
xx’
vc
2、说明
z
Z’
•将正变换中的速度反号，并将带 撇的与不带撇的量相互交换，即 得到逆变换； •当v<<c 时， → 0，洛仑兹变换 →伽利略变换式； =v/c <<1，所以v<<c。
3、洛仑兹坐标变换的特点
•两个参照系的相对运动对于垂直于运动方向的空间尺寸没 有影响； •运动方向上距离和时间测量结果在变换中“混合”起来； •当物体的速度远小于光速时，洛仑兹变换式就变为伽俐略 变换式。 •洛仑兹坐标变换说明两个物体的相对速度不可能超过光速。
2) 光速不变与伽利略的速度相加原理针锋相对 崭新的现代时空观，引起了物理学的一次大革命，把物理 学由经典物理带入了近代物理的相对论世界。
蟹状星云
我国宋代记载着一 次超新星爆发现象， 经研究确定，1731 年英国人发现的蟹 状星云就是宋超新 星的遗迹。
蟹状星云到地球的距离大约 5千光年,而爆发中抛射物的速 度V大约是 1500Km/s, 按伽利略变换, 地球上可持续25年能看 到超新星爆发时所发出的强光 .由光速不变原理算出的时间远 远小于25年，而与记载的历时23天相符合。
根据洛仑兹变换
dy uy dy dy dt uy v v dx v dt dt 2 dx 1 2 1 2 ux c c dt c
dz dz u z v dt dt 2 dx c dz uz dt v dx v 1 2 1 2 ux c dt c
S
S u
分别简述狭义相对论的两条基本假设
分别简述狭义相对论的两条基本假设狭义相对论（SpecialTheoryofRelativity）由爱因斯坦在1905年提出，是20世纪最重要的理论之一，在物理学、天文学、宇宙学等诸多领域有着广泛的影响。
其主要内容是研究物体在相对性情况下的运动规律，也就是在物理过程中，空间和时间的统一观念。
狭义相对论的两条基本假设是：一是物理定律对任何一个情况下的观察者都是完全一样的，也就是说，不论观察者是静止的还是运动中的，他们看到的物理现象是完全相同的；二是光在任何情况下的速度都是相同的，也就是说，光的传播速度是不受速率的影响的，而一直保持在3.00×108m/s，不论发射光源是静止的还是运动的。
第一条基本假设中的“任何一个情况下”，指的是指定空间位置上的任意发射光源和观察者处于物理运动状态。
换句话说，就是物理定律在任何情况下对观察者和发射光源都是一样的。
《狭义相对论》中有“绝对速度不存在”一说，这一说是指不论观察者是静止的还是运动中的，他们看到的物理现象是完全相同的，其原因是参考系的运动影响观察者的看到的结果。
如果观察者认为他处于静止状态，他看到的物理现象也是由此静止状态决定的，同样，如果观察者处于一定运动状态，他看到的结果也是由此运动状态决定的。
而不管观察者处于什么样的运动状态，物理定律对他来说都是一样的，所以不存在绝对的速度。
第二条基本假设中的“任何情况下”，指的是发射光源处于任意物理运动状态，即不管发射光源是静止的还是运动的，其发射的光的传播速度都是相同的，也就是说光的传播速度是不受运动状态的影响而保持不变的，一直是3.00×108m/s。
这个结论源于雷诺折射实验，也就是说假定光源和观察者处于不同运动状态，观察者看到的波差值就会发生变化，这个变化与发射光源的速度有关，而实验发现波差值没有发生变化，也就说明光的传播速度是不受速率的影响的，而一直保持在3.00×108m/s。
狭义相对论的基本概念
狭义相对论的基本概念狭义相对论是由爱因斯坦在20世纪初提出的一种物理学理论，它描述了质点在运动过程中的相对性质以及它们对时间和空间的影响。
这个理论可以被看做是一个旨在解释物质之间相互关系的科学思想。
“狭义”二字则指的是这个理论适用的范围是局限于惯性参考系内的相对性质。
物质的相对性质在经典物理学中，我们认为物体的速度可以相互独立地框定，即两个物体分别测得自己的速度，两者之间并没有关联。
但是，在狭义相对论中，这个概念被推翻了。
根据相对性原理，任何两个惯性参考系都是等同的，因而无法选择一个特殊的坐标系作为真实世界的标准。
假设一个人站在车上，并且车以v的速度向前飞驰。
对于这个人而言，他看到的风景跟车辆静止的场景是不同的，甚至对于他自己而言，他也可以认为自己在静止。
这两种情况都成立，没有谁对谁更正确。
时间的相对性质时间是第二个相对性质。
在经典物理学中，我们认为时间的流逝是均匀无误的。
而在相对论中，时间是跟观察者的运动状态有关系的。
假设有两个人，他们在不同的参照系中，运动状态也不同。
对于一个人来说，当他在行进过程中，看到另一个人在静止不动，那么他会认为另一个人的时间流逝得更快。
反之，如果一个人是静止状态，看到的话，他会发现另一个人的时间流逝得更慢。
光速度的相对性质相对论的第三个基本概念是光速度的相对性质。
光速是恒定不变的，不管在什么状态下，光速都是相同的。
假如我们想象一个人在飞行过程中，光和他同时发射。
对于那个人来说，光的速度看起来是由他自己的速度和光速度组成的。
而根据物理学的原理，加速度是无法超过光速的，所以无论那个人是怎么飞行的，光速度永远是一个不变的数字。
总结相对论是一个复杂而又有趣的领域，无论从理论还是实践的角度上，相对性质的概念都得到不同的发展与应用。
在物理学中，我们能够发现相对论的概念经过探索和实践具有一定的实用价值，不断提升人类对物质世界的认知，同时也为未来技术和应用带来很多有趣的可能。
爱因斯坦提出的狭义相对论的两条基本假设及其内容
爱因斯坦提出的狭义相对论的两条基本假设及其内容狭义相对论是由爱因斯坦在1905年提出的一种物理理论，它建立在两个基本假设之上。
这两个基本假设是：相对性原理和光速不变原理。
本文将详细介绍这两个基本假设的内容，并探讨它们对于狭义相对论的重要性和影响。
一、相对性原理相对性原理是狭义相对论的重要基础，它包含两个方面的内容：相对性原理的运动学形式和相对性原理的动力学形式。
相对性原理的运动学形式指出，物理规律在所有惯性参考系中都是相同的。
这意味着，无论处于相对静止还是相对运动的参考系，物理规律都不会因为参考系的不同而发生改变。
这个原理可以追溯到伽利略时代，在经典力学中已经有所体现。
但是，在经典物理学中，这个原理只适用于低速近似情况下（相对论处于低速极限近似范围内），而并不适用于高速情况下。
相对性原理的动力学形式指出，自然界中的物理规律应该是独立于观测者的速度的。
这意味着，观测者的运动状态不应该对物理规律的表达产生影响。
这个原理的提出是为了解决一些经典物理学中的难题，如以太假设和迈克尔逊—莫雷实验中的光速测量结果等。
通过这两个方面的内容，相对性原理告诉我们，物理规律在不同参考系中的形式应该是相同的，并且参考系的速度不应该对物理现象产生影响。
这样的原理在当时是一种突破性的思想，因为它与经典力学中的绝对时间和绝对空间观念不同，打破了牛顿物理学的框架和常识。
二、光速不变原理光速不变原理是狭义相对论的另一个基本假设。
它指出，真空中的光速是一个恒定不变的值，与光的传播方向和光源的运动状态无关。
换句话说，光在任何参考系中的速度都是恒定的，即299,792,458米/秒。
这个原理的提出是为了解决一些经典物理学中遇到的困境。
例如，迈克尔逊—莫雷实验的测量结果表明，光在任何参考系中的速度都是相同的，与观测者的运动状态无关。
这与经典物理学中以太理论的假设相矛盾。
以太是一种假想的媒质，假定光在其中传播，但迈克尔逊—莫雷实验的结果却否定了这种假设。
狭义相对论和广义相对论的基本原理
狭义相对论和广义相对论的基本原理狭义相对论和广义相对论是现代物理学的基本理论之一，它们解释了时间、空间、质量和能量之间的关系。
以下是对这两种相对论的基本原理的讲解。
一、狭义相对论的基本原理狭义相对论是爱因斯坦在1905年提出的理论，它提出了一个与牛顿力学不同的观点，即光速在所有惯性参考系中都是常数。
这一原则被称为“光速不变原理”，它是狭义相对论的核心。
基于“光速不变原理”，狭义相对论提出了以下原则：1. 所有物理定律在所有惯性参考系中都是相同的。
2. 物体的质量随着速度的增加而增加，速度越快，增加的质量越大。
3. 时间和空间是相对的，没有绝对的标准。
4. 能量和质量是等价的，它们之间可以相互转化。
这些原则反映了狭义相对论的基本特征，它推翻了牛顿力学中的一些假设，如时间和空间的绝对性、万有引力的绝对性等。
狭义相对论为我们提供了更加准确和完整的描述物理规律的框架，同时也为后来的广义相对论的发展提供了基础。
二、广义相对论的基本原理广义相对论是爱因斯坦在1916年提出的理论，它是在狭义相对论的基础上进一步发展而来的。
广义相对论初衷是想解释引力的本质，它基于“等效原理”提出了新的物理规律。
广义相对论的基本原理包括：1. 等效原理：自由下落的物体在惯性参考系中运动是匀速直线运动。
2. 引力不是一种真正的力，而是由物体所在空间弯曲而产生的一种现象。
3. 时间和空间的弯曲程度受到物质分布的影响。
4. 光线会沿着最短路径传播。
这些原理反映了广义相对论的基本特征，它描述了物质的引力性质和空间的几何形态之间的关系。
广义相对论证明了狭义相对论中的“光速不变原理”是任何物质和能量影响的最高速度，同时也为黑洞、宇宙学等领域的研究提供了新的工具和思路。
狭义相对论和广义相对论是现代物理学中最基本的理论之一，它们提供了理解时空的新视角和解释物理规律的新方法。
【狭义相对论】狭义相对论建立在“光速不变原理”之上，它意味着在不同的参考系中，光的速度是恒定不变的。
《狭义相对论的基本原理》 讲义
《狭义相对论的基本原理》讲义在物理学的发展历程中，爱因斯坦的狭义相对论无疑是一座具有里程碑意义的理论大厦。
它以其独特的视角和深刻的洞察，彻底改变了我们对时间和空间的理解。
接下来，让我们一同走进狭义相对论的世界，深入探讨其基本原理。
一、相对性原理相对性原理是狭义相对论的核心支柱之一。
它指出，物理规律在所有惯性参考系中都是相同的。
这意味着，无论我们是处于静止状态还是以匀速直线运动的状态观察物理现象，所遵循的物理定律都应该是一致的。
想象一下，你坐在一辆匀速行驶的火车上，车内有一个小球自由下落。
对于车内的你来说，小球是垂直下落的。
而对于站在地面上的观察者，由于火车的运动，小球的下落轨迹看起来是一条斜线。
但神奇的是，通过运用相同的物理定律，无论是你还是地面上的观察者，都能准确地描述和预测小球的运动。
相对性原理打破了传统的绝对时空观。
在牛顿力学中，存在一个绝对静止的空间和绝对均匀流逝的时间。
而狭义相对论告诉我们，不存在这样的绝对参考系，所有的惯性参考系都是平等的。
二、光速不变原理光速不变原理是狭义相对论中另一个令人惊叹的基本原理。
它表明，真空中的光速在任何惯性参考系中都是恒定不变的，其大小约为299792458 米/秒。
这与我们日常生活中的经验似乎有些相悖。
比如，当我们坐在一辆飞驰的汽车上向前扔出一个球，球的速度会是汽车的速度加上我们扔球的速度。
但对于光来说，无论光源是静止的还是运动的，光的速度始终保持不变。
假设一艘宇宙飞船以接近光速的速度飞行，当飞船上的人打开一盏灯时，这束光对于飞船内的人和地球上的观察者来说，速度都是一样的。
光速不变原理是狭义相对论中许多奇妙结论的根源。
它使得时间和空间不再是绝对的，而是相对的，取决于观察者的运动状态。
三、时间膨胀由于光速不变原理，导致了一个奇特的现象——时间膨胀。
简单来说，运动的时钟会比静止的时钟走得慢。
为了更好地理解这一点，我们可以想象一个思想实验。
有一对双胞胎，其中一个留在地球上，另一个乘坐高速飞船去太空旅行。
狭义相对论基本原理包括
狭义相对论基本原理包括什么是狭义相对论？狭义相对论是由爱因斯坦于1905年提出的物理学理论，它对时间、空间、质量和能量之间的关系进行了重新定义和修正。
狭义相对论的基本原理包括以下几个方面：1. 等效性原理等效性原理是狭义相对论的基石之一，它指出惯性系中的物理规律在所有的惯性系中都成立。
换句话说，无法通过实验来区分处于匀速直线运动状态的惯性系。
2. 光速不变原理光速不变原理是狭义相对论的核心概念之一，它指出在真空中光的传播速度是恒定的，与光的发射源和接收器的运动状态无关。
换句话说，无论我们以多快的速度运动，光速在真空中始终是一个恒定值。
3. 相对性原理相对性原理是狭义相对论的核心原理之一，它指出物理规律在所有的惯性系中都具有相同的形式。
也就是说，物理规律的表达式不会因为观察者的相对运动而发生变化。
4. 时间的相对性狭义相对论中的时间相对性指的是时间的流逝速度与观察者的相对速度有关。
具体来说，当两个观察者以不同的速度相对运动时，他们所测得的时间流逝速度是不同的。
这一原理被实验证实，例如双子星实验。
5. 空间的相对性狭义相对论中的空间相对性指的是空间的几何结构与观察者的相对速度有关。
具体来说，当两个观察者以不同的速度相对运动时，他们所测得的空间间隔是不同的。
这一原理推翻了传统的牛顿力学中的绝对空间观念。
6. 质量和能量的等效性狭义相对论提出了著名的质能方程E=mc^2，它表明质量和能量是可互相转化的。
换句话说，质量只是能量的一种形式，而能量也可以转化为质量。
这一原理在核能反应和粒子物理实验中得到了充分的验证。
7. 四维时空狭义相对论引入了四维时空的概念，将时间和空间统一在一个坐标系中。
四维时空中的事件可以由四个坐标表示，其中三个坐标表示空间位置，第四个坐标表示时间。
四维时空的引入使得物理规律的表达更加简洁和一致。
总结狭义相对论是一门具有重大影响的物理学理论，它修正和重新定义了牛顿力学中的时间、空间、质量和能量的概念。
爱因斯坦狭义相对论的主要内容
爱因斯坦狭义相对论的主要内容爱因斯坦狭义相对论的主要内容
第一，对于任何惯性系，即以匀速运动的体系，一切自然定律同样适用，也就是相对性原则，用爱因斯坦的话说，这一原理是：“物体的状态据以变化的定律，同这些状态的变化与以两个彼此相对的匀速移动的坐标系中有哪一个作参考，是没有关系的。
”
第二，对于任何惯性系，自由空间中的光速都是相同的，也就是光速不变原理。
用爱因斯坦的话说，这一原理是：“任一条光线在静止坐标系中总是以确定的速度运动，不管这条光线是由静止的还是由运动着的物质发射出来的。
”这就是说，不论光源运动怎样，光速总是一定的。
光速不变原理是爱因斯坦提出的崭新见解
1。
狭义相对论意义
狭义相对论意义
狭义相对论是由阿尔伯特·爱因斯坦于1905年提出的一种物理学理论。
狭义相对论的基本概念是时间和空间的相对性和它们之间的交互作用。
在狭义相对论中,时间和空间被视为一种连续的、不可分割的概念。
但是,当我们运动或处于加速状态时,时间和空间的感受会发生变化。
根据狭义相对论,时间和空间的流逝速度是相对于观察者的运动状态而言的,这种相对性被称为时空的弯曲。
狭义相对论还提出了著名的公式E=mc2,它表明质量与能量之间存在等价性。
这个公式表明,质量可以转换成能量,而能量也可以转换成质量。
这个公式是现代物理学的基础之一。
狭义相对论揭示了时空和物质之间的关系,为人们对宇宙和自然现象的理解提供了新的思路和工具。
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4、实验结果：零结果
在不同季节，不同地理条件下做实验，没有观察到条 纹的移动。实验表明：
•相对以太的绝对运动是不存在的，以太不能作为绝对参考 系，以太假设不能采用； •地球上沿各个方向的光速都是相等的。 •迈克耳逊—莫雷实验一直被认为是狭义相对论的主要实验 支柱。
14－3 狭义相对论的基本原理 洛仑兹变换式
→伽利略变换式；
=v/c 1，所以v<<c。
3、推导
S系的坐标原点O，在S系中：x=0 在S '系中： x'= -vt'或x'+vt'=0
x=k(x'+vt')
S'系的坐标原点
x'=k'(x-vt)
相对性原理，这两个惯性系是等价的，
k=k' x'=k(x-vt) 对于y,z 的关系， y'=y
崭新的现代时空观，引起了物理学的一次大革命，把物 理学由经典物理带入了近代物理的相对论世界。
二、洛仑兹变换式 1、洛仑兹变换及其逆变换
s s' y
y' v
P(x, y, z,t)
* (x', y', z',t')
x x vt
y
y
z z
t
2、实验装置：
迈克尔逊干涉仪
3、实验原理：
M
2
G
M1
v
地球定沿GM1方向运动。若伽利略
变换成立，光沿GM1速度为c-v，光
沿M1G，速度c+v，光从G-M1-G所
需时间为
t1
l cv
c
l
v
c
2l 1 v2
/ c2
光沿GM2的速度和光沿M2G的 速度
c2 v2 1/2
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 .
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 .
物质飞散速度 v 1500km/s
A
c v
B
c l = 5000 光年
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
tB
l c
理论计算观察到超新性爆发的强光的时间持续约
Dt tB tA 25年
实际持续时间约为 22 个月, 这怎么解释 ?
物质飞散速度 v 1500km/s
A
c v
•早期对布朗运动的研究 •狭义相对论的创建 •推动量子力学的发展 •建立了广义相对论
•1905年创建的狭义相对论 •1916年创建的广义相对论 •1921年获诺贝尔物理学奖金 •1906年用量子理论说明了固体热容 与温度的关系 •1912年用光量子概念建立了光化学 定律 •1916年提出自激发射和受激发射的 概念，为激光的出现奠定了理论基 础 •1924年提出了量子统计方法--玻色爱因斯坦统计法。爱因斯坦用广义 相对论研究整个宇宙的时空结构
低速的范围内，是与实验结果相一致 的.
实践已证明 , 绝对时空观是不正确的.
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 2.998 108 m/s
00
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?
s
y
s'
y'
v c
a a
s
y
y
s'
y'
y'
v
*P(x, y, z)
vt
o
o'x
zz F
z'z'
ma
x'
( x', y', z')
x'
x
F
ma
在两相互作匀速直线运动的惯性系中, 牛顿运动定律具有相同的形式.
二、经典力学的相对性原理
S F m a
S F
m m
ma
1999年：英国<<物理世界>>杂志推出的千年刊评选有史以来 最杰出的十位物理学家：
1.爱因斯坦(美籍德国人，1921*)，2.牛顿(英国)，3.麦克斯 韦(英国), 4. 玻尔(丹麦，1922)， 5.海森伯(德国，1932)， 6.伽利略(意大利)，7.费因曼(美国，1965), 8.狄拉克(英 国，1933)，9.薛定谔(奥地利，1933), 10.卢瑟福(新西兰)
长江大学教学课件
大学物理学电子教案
狭义相对论的基本概念
14-1 伽俐略变换式 牛顿的绝对时空观 14-2 迈克尔逊－莫雷实验 14-3 狭义相对论的基本原理 14-4 狭义相对论的时空观
引言
物理学
经典物理 近代物理
力学 热学 电磁学 光学
相对论
量子论
经典物理学的辉煌成就 •经典力学 •热力学与统计力学 •光学 •电动力学
从经典物理学到近代物理过渡时期的重要实验事实
• 迈克尔逊——莫雷实验：否定了绝对参考系的存在； • 黑体辐射实验 • 光电效应 原子的线状光谱
强调 近代物理不是对经典理论的补充，而是全新的理论。 近代物理不是对经典理论的简单否定。
第十四章
相对论
•狭义相对论的基本原理
狭义相对论 (Special Relativity) 研究 : 惯性系中物理规律及其变换
x1'=x1-vt，x2'=x2-vt S系中测得l=x2-x1=(x2'+vt)-(x1'+vt)=x2'-x1'=l'
在彼此相对 运动的惯性 系中，测得 同一杆的长 度是相同的
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.
牛顿的绝对时空观
牛顿力学的相对性原理
注意
牛顿力学的相对性原理，在宏观、
在其它惯性系中也是同时发生的。
在S系中， t1=t2，
则由
t1'=t1，t2'=t2
' 得在S 系中 t1'= t2'
•时间间隔测量的绝对性：
在S系中，Dt=t2-t1，
则由
t1'=t1，t2'=t2
得在S'系中Dt'=t2'-t1'=t2-t1=Dt
2、空间（长度）：
•关于长度的定义及长度测量的说明：
光从G-M2-G所需时间为
光沿GM2 光沿M2G
M
2
G
M1
v
2l
2l
t2 c2 v2 1/2 c 1 v2 / c2 1/2
G点发出的两束光到达望远镜的时间差
Dt
t1
t2
c
2l 1 v2
/
/ c2
1/ 2
2l c
z'=z
讨论t'与t的变换关系
x kkx vt vt k 2 x vt kvt
1 k 2 x k 2vt kvt
t kt 1 k 2 x kv
一、狭义相对论的基本原理
1、相对性原理：
物理定律在所有的惯性系中都是相同的，即所有惯性系 对运动的描述都是等效的。
2、光速不变原理：
真空中的光速是常量，它与光源或观察者的的运动状态 无关，即不依赖于惯性系的选择。
说明：
一切物理规律
力学规律
1) 爱因斯坦的理论是牛顿理论的发展
2) 光速不变与伽利略的速度相加原理针锋相对
t
v c2
x
zo
o'
z'
1 1 2
x'
x
v c
x x vt
y y
z z
t
t
v c2
x
2、说明
•将正变换中的速度反号，并将带 撇的与不带撇的量相互交换，即 得到逆变换；
•当v<<c 时， → 0，洛仑兹变换
•狭义相对论的一些结论 揭示 : 时间、空间和运动的关系
•广义相对论简介
广义相对论(General Relativity)
研究:非惯性系中物理规律及其变 换
揭示 : 时间、空间和物质分布的关系
爱因斯坦 ( Albert Einstein, 1879—1955 )
20世纪最伟大的物理学 改革家，相对论的创始 人，主要科学业绩：
爱因斯坦: Einstein现代时空 的创始人，二十世纪的哥白尼
1895年(16岁)：追光假想实验(如果我以速 度c追随一条光线运动，那么我就应当看到， 这样一条光线就好象在空间里振荡着而停 滞不前的电磁场。可是无论是依据经验， 还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这 样的事情。从一开始，在我直觉地看来就 很清楚，从这样一个观察者来判断，一切 都应当象一个相对于地球是静止的观察者 所看到的那样按照同样一些定律进行。)
zz z'z'
*P(x, y, z)
( x', y', z')
x'
x
速度变换公式
s
y
y