第3章 相对论 大学物理2课件
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《大学物理下教学课件》相对论02
6
6
6
同时 t' t'2 t'1 0 不同地 x' x'2 x'1 0
t
t'
v c2
x'
v c2
x'
0
1 2 1 2
在某个惯性系中同时发生的两个事件，在另一相对 它运动的惯性系中，并不一定同时发生。
发生在不同地点的两个事件的同时性，不是绝对的， 只是个相对的概念。
时间膨胀
相对论基础
动钟变慢
相对论基础
说明时间膨胀的预言是正确的。
相对论基础
介子实验中，也可认为实验室相对于介子以0.91c 的速度运动。在 介子参考系中，测得的实验室长度 服从长度收缩效应。介子经历过的实验室距离为
L 0.91c 0 0.91 2.9979108 2.063108 m 7.101 m
按照长度收缩效应，实验室距离的固有长度应为
3 狭义相对论时空观
“同时”的相对 性
相对论基础
相对论基础
y y'
12 v9 3
S 系 (地面) S' 系 (车厢)
1
6
2
1 (x1, y1, z1,t1) (x'1 , y'1 , z'1 ,t'1 )
o o' 12
12
x'
12
x 9 3 9 3 9 3
2 (x2 , y2 , z2 ,t2 ) (x'2 , y'2 , z'2 ,t'2 )
l0 1 2
2. 牛顿的绝对空间概念是相对论空间概念 在相对速度很小时的近似。
3. 和相对速度方向相垂直的长度是不变的。
第三章_相对论 大学物理上 中南大学
A B
cv
c
l = 5000 光年
A 点光线到达 地球所需时间
l tA cv
B 点光线到达 t 地球所需时间 B
l c
理论计算观察到超新性爆发的强光的时间持续约
t t B t A 25年
实际持续时间约为 22 个月, 这怎么解释 ?
矛盾
3、迈克耳孙-莫雷实验
为了测量地球相对于“以太”的运动 , 1881 年迈克尔孙用他自制的干涉仪进行测量, 没有结果 . 1887年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验 ,仍 得到零结果, 即未观测到地球相对“以太”的运动 .
[s]
u
P x, y, z , t
z
r
o ut x
r'
o’ x’
p ( x' , y ' , z ' )
( x, y , z )
S 系 : P x , y , z , t
寻找
r0
Z’
x x’
两个参考系中相应的 坐标值之间的关系
有
y y z z
x 2 x1 100 0.98 10 1 0.982 1.47 10 m
10
t1 t2
10 0.98c 100 c 2 1 0.982
50.25s
例2：在惯性系S中，相距x=5106m的两个地方发生 两个事件Байду номын сангаас时间间隔t=10-2s；而在相对于S系沿x轴正 向匀速运动的S'系中观测到这两事件却是同时发生的，
2
M2
G
v N 2l 2 c 2Δ
l 10m, 500nm, v 3 10 m/s
2024版大学物理2相对论PPT课件
宇宙演化历程
从普朗克时期到暴胀时期，再到辐射主导时期和物质主导 时期，最后到暗能量主导时期的宇宙演化历程。
观测证据
通过观测宇宙微波背景辐射、轻元素丰度、大尺度结构等， 为大爆炸理论提供了有力支持。
2024/1/30
26
黑洞、虫洞等前沿领域研究进展报告
黑洞
介绍黑洞的基本概念、 性质、分类以及观测证 据，探讨黑洞在广义相 对论和量子理论中的研 究进展。
暗能量
发现宇宙加速膨胀的现象，提出暗能量假设以解释这一观测事实。 暗能量具有负压强，推动宇宙加速膨胀。
现代宇宙学问题
探讨暗物质、暗能量的性质、分布及其对宇宙演化的影响，是现代 宇宙学的重要课题。
25
大爆炸理论框架下宇宙演化历程回顾
大爆炸理论
提出宇宙起源于一个极热、极密的状态，经过膨胀、冷却、 物质形成等过程演化至今。
应用领域
物体的质量随其运动速度的增 加而增加。
2024/1/30
物体的能量和质量之间存在着 等价关系，即E=mc²。
通过理论推导和实验验证来探 讨质速关系和质能关系的正确 性。例如，介绍质能方程的推 导过程，以及核反应、粒子衰 变等实验现象对质能关系的验 证。
核能开发与利用、粒子加速器 设计等。
12
29
学生自我评价报告
01 02
学习成果
通过本次课程的学习，我掌握了狭义相对论的基本原理和洛伦兹变换的 方法，对质能关系有了更深入的理解。同时，我也学会了如何运用这些 知识解决一些实际问题。
学习方法
在学习过程中，我采用了多种学习方法，包括听讲、阅读教材、做练习 题、参加讨论课等。这些学习方法帮助我更好地理解和掌握了课程内容。
实验验证方法
3
从普朗克时期到暴胀时期，再到辐射主导时期和物质主导 时期，最后到暗能量主导时期的宇宙演化历程。
观测证据
通过观测宇宙微波背景辐射、轻元素丰度、大尺度结构等， 为大爆炸理论提供了有力支持。
2024/1/30
26
黑洞、虫洞等前沿领域研究进展报告
黑洞
介绍黑洞的基本概念、 性质、分类以及观测证 据，探讨黑洞在广义相 对论和量子理论中的研 究进展。
暗能量
发现宇宙加速膨胀的现象，提出暗能量假设以解释这一观测事实。 暗能量具有负压强，推动宇宙加速膨胀。
现代宇宙学问题
探讨暗物质、暗能量的性质、分布及其对宇宙演化的影响，是现代 宇宙学的重要课题。
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大爆炸理论框架下宇宙演化历程回顾
大爆炸理论
提出宇宙起源于一个极热、极密的状态，经过膨胀、冷却、 物质形成等过程演化至今。
应用领域
物体的质量随其运动速度的增 加而增加。
2024/1/30
物体的能量和质量之间存在着 等价关系，即E=mc²。
通过理论推导和实验验证来探 讨质速关系和质能关系的正确 性。例如，介绍质能方程的推 导过程，以及核反应、粒子衰 变等实验现象对质能关系的验 证。
核能开发与利用、粒子加速器 设计等。
12
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学生自我评价报告
01 02
学习成果
通过本次课程的学习，我掌握了狭义相对论的基本原理和洛伦兹变换的 方法，对质能关系有了更深入的理解。同时，我也学会了如何运用这些 知识解决一些实际问题。
学习方法
在学习过程中，我采用了多种学习方法，包括听讲、阅读教材、做练习 题、参加讨论课等。这些学习方法帮助我更好地理解和掌握了课程内容。
实验验证方法
3
大学物理相对论ppt课件
vy 0
vz 0
5
6-3 狭义相对论的时空观
一、同时的相对性
事件1
S 系
( x1, t1)
事件2 ( x2 , t2 )
两事件同时发生
t1 t2 t t2 t1 0
S系
( x1 , t1 ) ( x2 , t2 )
？ t t2 t1
6
6-3 狭义相对论的时空观
一、同时的相对性
S
以爱因斯坦火车为例
3600
4.5
y
33
6-3 狭义相对论的时空观
例8：半人马星座a星是距太阳最近的恒星，它距地
球 S 4.3 ,1设0有16 m一宇宙飞船自地球飞到该星，飞船
对地速度v=0.99c，地球上的钟测得多少年？若以 飞船上的钟计算，又为多少年？ 解：以飞船上的钟计算：
t t t 1t
t 1 0.9992 4.5 0.（2 年）
两端坐标之差就是物体长度。
原长 棒相对观察者静止时测得的它的长度
（也称静长或固有长度）。
棒静止在S'系中 l0是静长
S系测得棒的长度值是什么呢？
动长（测量长度） 13
6-3 狭义相对论的时空观
二.长度的相对性
运动的棒变短
事件1：测棒的左端
S S
u
事件2：测棒的右端 由洛仑兹变换
x x ut
1 u2 c2
解：1、若不考虑相对论效应，则有
lp v 0 0.75 3108 2.6108 5.85(m)
2、若考虑相对论效应，则有
0
2.6 108 1 0.752
3.9108(s)
l v 0.75 3108 3.9108 8.78(m)
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
2第3章 相对论 大学物理2课件
1
u2 c2
t'
(t
ux c2
)
1
u2 c2
x ( x ' ut ' )
1
u2 c2
z
t
(t '
ux ' c2 )
1
u2 c2
y'y,z'z
2020/10/28
Ocean University of China
College Physics
y y’ S’
Su P
O’
O
x
Z’
u c
1 1 2
x ( x ' ut ' )
1
u2 c2
O’
O
x
z
Z’
t'
(t
ux c2
)
t
(t '
ux c
2
'
)
1
u2 c2
2020/10/28
1
Ocean University of China
u2 c2
15
第3章 相对论
第一篇 力学基础
§3-3 狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换
洛伦兹变换推导
x ' ( x ut )
因
·S中:若
t2
事件1-因(先)，2-果(后)，即
t1
t2
t1 cu2 x2x1 1u2 /c2
t2
-
t1
>
0
果 关
t2
t1
t2
t11cu2
x2 t2
1u2/c2
tx11
系 的
s =
x2 - x1 t2 - t1
相对论ok课件PPT
实验验证与推广
相对论预言得到多次实验验证，并逐步推广到广义相对论和量子力 学等领域。
相对论的基本假设与原理
01
02
03
光速不变原理
无论在何种惯性参考系中， 光在真空中的速度都是不 变的。
相对性原理
物理定律在所有惯性参考 系中都是一样的。
质能等价原理
质量和能量是等价的，可 以相互转化。
相对论的重要意义
相对论ok课件
• 相对论简介 • 狭义相对论 • 广义相对论 • 相对论的应用 • 相对论的未来发展
01
相对论简介
相对论的起源与发展
19世纪末物理学危机
经典物理学无法解释光速不变和米氏-摩雷森实验结果，引发物理 学危机。
洛伦兹变换与相对论的提出
爱因斯坦提出两个基本假设，通过洛伦兹变换推导出时间膨胀和长 度收缩等相对论效应。
黑洞与宇宙大爆炸都是广义相对论的重要预言和研究对象，对于深入理解宇宙的本质和演化 具有重要意义。
广义相对论中的实验验证
广义相对论预言的光线弯曲、引力红移、雷达回波延迟等效 应都得到了实验验证，进一步证实了广义相对论的正确性和 可靠性。
近年来，随着技术的不断进步，科学家们通过更精确的实验 设备和方法对广义相对论进行了更深入的验证，例如利用激 光干涉测量技术测量引力波等。这些实验结果进一步证实了 广义相对论的预言和理论框架的正确性。
狭义相对论中的质能关系
狭义相对论提出了著名的质能关系公式E=mc^2，其中E表示能量，m表示质量，c表示光速。 这个公式表明质量和能量之间存在等价关系，即物体所具有的能量与其质量成正比，且与光 速的平方成正比。这一公式为后来的核能和原子能研究提供了理论基础。
03
广义相对论
相对论预言得到多次实验验证，并逐步推广到广义相对论和量子力 学等领域。
相对论的基本假设与原理
01
02
03
光速不变原理
无论在何种惯性参考系中， 光在真空中的速度都是不 变的。
相对性原理
物理定律在所有惯性参考 系中都是一样的。
质能等价原理
质量和能量是等价的，可 以相互转化。
相对论的重要意义
相对论ok课件
• 相对论简介 • 狭义相对论 • 广义相对论 • 相对论的应用 • 相对论的未来发展
01
相对论简介
相对论的起源与发展
19世纪末物理学危机
经典物理学无法解释光速不变和米氏-摩雷森实验结果，引发物理 学危机。
洛伦兹变换与相对论的提出
爱因斯坦提出两个基本假设，通过洛伦兹变换推导出时间膨胀和长 度收缩等相对论效应。
黑洞与宇宙大爆炸都是广义相对论的重要预言和研究对象，对于深入理解宇宙的本质和演化 具有重要意义。
广义相对论中的实验验证
广义相对论预言的光线弯曲、引力红移、雷达回波延迟等效 应都得到了实验验证，进一步证实了广义相对论的正确性和 可靠性。
近年来，随着技术的不断进步，科学家们通过更精确的实验 设备和方法对广义相对论进行了更深入的验证，例如利用激 光干涉测量技术测量引力波等。这些实验结果进一步证实了 广义相对论的预言和理论框架的正确性。
狭义相对论中的质能关系
狭义相对论提出了著名的质能关系公式E=mc^2，其中E表示能量，m表示质量，c表示光速。 这个公式表明质量和能量之间存在等价关系，即物体所具有的能量与其质量成正比，且与光 速的平方成正比。这一公式为后来的核能和原子能研究提供了理论基础。
03
广义相对论
大学物理-10相对论2-优质课件
L L0
L L0 原长最长
s
y
s'
y'
u
x' 静止在S’系
L0
固有长度 （原长）
(最长)
zo
o' z'
xx11
x2 x
x2
(t1 t2 )
在相对于尺子静止的惯性系中测得的长度
L 运动长度 在相对于尺子运动的惯性系中测得的长度 （非原长）
在各个不同的惯性系中测量同一把尺子的长度,
相撞
( x2 , t2 ) ( x2 , t2 )
x1 x2 t2 t1 4s 固有时间
在地面上看来 t t 5s
相对论—相对论运动学
§3.2.3 同时性的相对性
考查： 在某一参照系内，同时发生的两件事，在另 一个参照系看来是否是同时发生的？
1、经典力学时空观
在μ介子存活的时间内走行的距离
h
h1
h2 uT 2.23km h2 h
实验结果：地面上能接收到μ介子 相对论—相对论运动学
例3：某飞船相对地球运动速度 u 0.60c
飞船发现慧星 4 秒钟后与慧星相撞。 问：在地球上看来，飞船发现慧星至相撞用了多少时间？
解：两事件： 发现慧星
飞船参照系： ( x1 , t1 ) 地球参照系： ( x1 , t1 )
c
c 尺子沿长度方向以 0.9998 的速度运动。
相对论—相对论运动学
§3.2.2 时间膨胀
S’系: 0 t'2 t'1
sy s'y'u0
B
A x'
o S系: t2 t1
z
2024版年度《大学物理》全套教学课件(共11章完整版)
01课程介绍与教学目标Chapter《大学物理》课程简介0102教学目标与要求教学目标教学要求教材及参考书目教材参考书目《普通物理学教程》（力学、热学、电磁学、光学、近代物理学），高等教育出版社；《费曼物理学讲义》，上海科学技术出版社等。
02力学基础Chapter质点运动学位置矢量与位移运动学方程位置矢量的定义、位移的计算、标量与矢量一维运动学方程、二维运动学方程、三维运动学方程质点的基本概念速度与加速度圆周运动定义、特点、适用条件速度的定义、加速度的定义、速度与加速度的关系圆周运动的描述、角速度、线速度、向心加速度01020304惯性定律、惯性系与非惯性系牛顿第一定律动量定理的推导、质点系的牛顿第二定律牛顿第二定律作用力和反作用力、牛顿第三定律的应用牛顿第三定律万有引力定律的表述、引力常量的测定万有引力定律牛顿运动定律动量定理角动量定理碰撞030201动量定理与角动量定理功和能功的定义及计算动能定理势能机械能守恒定律03热学基础Chapter1 2 3温度的定义和单位热量与内能热力学第零定律温度与热量热力学第一定律的表述功与热量的关系热力学第一定律的应用热力学第二定律的表述01熵的概念02热力学第二定律的应用03熵与熵增原理熵增原理的表述熵与热力学第二定律的关系熵增原理的应用04电磁学基础Chapter静电场电荷与库仑定律电场与电场强度电势与电势差静电场中的导体与电介质01020304电流与电流密度磁场对电流的作用力磁场与磁感应强度磁介质与磁化强度稳恒电流与磁场阐述法拉第电磁感应定律的表达式和应用，分析感应电动势的产生条件和计算方法。
法拉第电磁感应定律楞次定律与自感现象互感与变压器电磁感应的能量守恒与转化解释楞次定律的含义和应用，分析自感现象的产生原因和影响因素。
介绍互感的概念、计算方法以及变压器的工作原理和应用。
分析电磁感应过程中的能量守恒与转化关系，以及焦耳热的计算方法。
电磁感应现象电磁波的产生与传播麦克斯韦方程组电磁波的辐射与散射电磁波谱与光子概念麦克斯韦电磁场理论05光学基础Chapter01光线、光束和波面的概念020304光的直线传播定律光的反射定律和折射定律透镜成像原理及作图方法几何光学基本原理波动光学基础概念01020304干涉现象及其应用薄膜干涉及其应用（如牛顿环、劈尖干涉等）01020304惠更斯-菲涅尔原理单缝衍射和圆孔衍射光栅衍射及其应用X射线衍射及晶体结构分析衍射现象及其应用06量子物理基础Chapter02030401黑体辐射与普朗克量子假设黑体辐射实验与经典物理的矛盾普朗克量子假设的提普朗克公式及其物理意义量子化概念在解决黑体辐射问题中的应用010204光电效应与爱因斯坦光子理论光电效应实验现象与经典理论的矛盾爱因斯坦光子理论的提光电效应方程及其物理意义光子概念在解释光电效应中的应用03康普顿效应及德布罗意波概念康普顿散射实验现象与经德布罗意波概念的提典理论的矛盾测不准关系及量子力学简介测不准关系的提出及其物理量子力学的基本概念与原理意义07相对论基础Chapter狭义相对论基本原理相对性原理光速不变原理质能关系广义相对论简介等效原理在局部区域内，无法区分均匀引力场和加速参照系。
大学物理相对论课件
大学物理相对论课件大学物理相对论课件相对论是现代物理学中的重要分支，它对我们对宇宙的理解产生了深远的影响。
在大学物理课程中，相对论通常是一个重要的模块，学生们通过学习相对论可以更好地理解时间、空间和质量之间的关系。
而为了帮助学生更好地理解相对论的概念和原理，教师们通常会使用课件来辅助教学。
一、相对论的基本概念在开始讲解相对论之前，通常会对相对论的基本概念进行介绍。
相对论的核心思想是时间、空间和质量是相互关联的，它们不再是独立存在的。
特别是，相对论引入了“光速不变”的概念，即无论观察者的运动状态如何，光速在真空中的数值始终保持不变。
这一概念对于后续的相对论理论和实验验证都起到了至关重要的作用。
二、洛伦兹变换在相对论课件中，洛伦兹变换通常是一个重要的部分。
洛伦兹变换是相对论中描述时间和空间之间关系的数学工具。
它将经典力学中的伽利略变换推广到了高速运动的情况下。
洛伦兹变换的引入使得我们可以更好地理解相对论中的时间膨胀和长度收缩等现象。
三、狭义相对论狭义相对论是相对论的基础，它主要研究的是惯性参考系之间的相对运动。
在狭义相对论的课件中，通常会涉及到一些重要的概念，如相对论速度叠加原理、等效质量等。
通过学习狭义相对论，学生们可以更好地理解光速不变原理对运动物体的影响，以及质量与能量之间的等价关系。
四、广义相对论广义相对论是相对论的进一步发展，它主要研究的是引力的本质和引力场的性质。
在广义相对论的课件中，通常会介绍爱因斯坦场方程和它的解析解，即引力场方程的解。
此外，还会涉及到黑洞、时空弯曲等引人入胜的话题。
广义相对论的学习需要一定的数学基础，但通过课件的辅助，学生们可以更好地理解这些抽象的概念。
五、实验验证相对论的理论预言已经经过多次实验的验证。
在相对论课件的最后部分，通常会介绍一些实验证据，如测量光速的方法、哈雷彗星的轨道预测等。
这些实验证据可以帮助学生们更好地理解相对论的真实性和重要性。
尽管相对论的概念和原理对于大多数人来说可能有些抽象和困难，但通过相对论课件的辅助，学生们可以更好地理解这一重要的物理学分支。
大学物理2 相对论
2
2
l
光源
2
分光板
在地球上感觉 到的以太风
V
C V
2 2
l
观察者
1
C
反射镜2
地球相对以太的运动
C V
2
2
C
1 2l 2l t C C V V 1 V C
2 2 2 2 2
2 2
l l t c V c V
1 1 1
2l1 1 2 c V 1 2 c
C
对以太
C
对地球
V
地球对以太
*** 迈克尔逊
莫雷实验
最初目的，验证以太存在。按着以太的假说地球是在以太的海洋中运动， 只要在地球上做测量光速的实验，就可以算出地球相对于以太（绝对参考系） 的速度，从而证实以太的存在。
在地球表面上的水平桌面（实验台）
反射镜1
l
光源
2
分光板
在地球上感觉 到的以太风
z
zLeabharlann 若空间的一点P发生一件事，其时空间的关系为
y
y S s c c s V s Vt y
oo o o
VP
x, y , z , t x, y, z, t
c
x
x
x
z
z
z
或
事件的时空坐标变换的关系为
x x Vt y y z z t t
C
x
x
x ct x ct 得出 ct ct Vt ct ct Vt 二式相乘，整理得
o和 当 t t 0， 一光信号。
o 重合时，由共同的原点沿 x 轴发射 x x Vt
2
l
光源
2
分光板
在地球上感觉 到的以太风
V
C V
2 2
l
观察者
1
C
反射镜2
地球相对以太的运动
C V
2
2
C
1 2l 2l t C C V V 1 V C
2 2 2 2 2
2 2
l l t c V c V
1 1 1
2l1 1 2 c V 1 2 c
C
对以太
C
对地球
V
地球对以太
*** 迈克尔逊
莫雷实验
最初目的，验证以太存在。按着以太的假说地球是在以太的海洋中运动， 只要在地球上做测量光速的实验，就可以算出地球相对于以太（绝对参考系） 的速度，从而证实以太的存在。
在地球表面上的水平桌面（实验台）
反射镜1
l
光源
2
分光板
在地球上感觉 到的以太风
z
zLeabharlann 若空间的一点P发生一件事，其时空间的关系为
y
y S s c c s V s Vt y
oo o o
VP
x, y , z , t x, y, z, t
c
x
x
x
z
z
z
或
事件的时空坐标变换的关系为
x x Vt y y z z t t
C
x
x
x ct x ct 得出 ct ct Vt ct ct Vt 二式相乘，整理得
o和 当 t t 0， 一光信号。
o 重合时，由共同的原点沿 x 轴发射 x x Vt
第三节相对论时空观
N N 0e
止的 子的平均寿命为 0 2.21 106 s 。 在 1963 年的一次实验中，在海拔 1910m 高处，测得由宇宙线产生的速度在 0.9950~0.9954c 之间铅直向下运动的 子数为平均每小时 56310 个， 而在离海 平面 3m 处， 测得同样速度的 子数为平均每小时 4089 个(其它 子已经发生了 衰变)。试求： (1) 运动 子的平均寿命； (2) 验证明间膨胀公式
0
1 v2 1 2 c
0
1 1 (0.75) 2
2.6 108 3.93 108 s
《大学物理》
教师：
胡炳全
所以，在 S 系中测量时， 介子从产生地到衰变地要平均飞行的距离为：
l v 0.75 3 108 3.93 108 s 8.84m
•根据同时性的相对性，在一个参照系中校准的时钟在另 一个参照系看来是没有校准的。
《大学物理》
教师：
胡炳全
二、时间延缓效应
1、本征时间（固有时间）： 一个惯性系中同一地点先后发生的两个事件的时 间间隔，在狭义相对论中叫做本征时间或固有时间。
2L t ' c
就是发光后接收到光这两个事 件的本征时间或固有时间。
《大学物理》
教师：
胡炳全
由光速不变原理，S系中的光速仍为c，故Δt应满足：
s 2 2 t L (vt / 2) 2 c c
解之可得：
2L t c
1 v 1 2 c
2
t ' v2 1 2 c
为了书写简洁，我们常用如下符号简写：
1 v2 1 2 c v c 1 1
[课件]大学物理第3章 相对论基础PPT
![[课件]大学物理第3章 相对论基础PPT](https://img.taocdn.com/s3/m/e42abd4cb84ae45c3b358c65.png)
教学基本内容、基本公式 1. 狭义相对论的基本原理
光速不变原理：对真空中的任何惯性参考系，光沿任意方向的传播速度都是c. 相对性原理：所有物理规律在任何不同的惯性参考中形式相同。
2. 狭义相对论的时空观
爱因斯坦认为，时间和长度的测量是相对的，即时间和长度的测量要受到 测量对象和观察者之间的相对运动的影响，运动要影响测量．这反映出空间、 时间与物质的运动有着不可分割的联系。 在数学上跟相对论时空观相对应的时空坐标变换式为洛仑兹变换。
2 u 2 t1 2 5 1 ( 0 . 6 ) 4 s c
t
8
解答三
y
y
飞 船
t x / v 飞船： x x x 0 . 6 c 5 0 . 8 c 5 7 c 地： 2 1 t 0
u
t1
v
t1 t 3
狭义相对论的时空观爱因斯坦认为时间和长度的测量是相对的即时间和长度的测量要受到测量对象和观察者之间的相对运动的影响运动要影响测量
大学物理第3 章 相对论基 础
第3章 相对论基础
基本要求
理解经典力学的相对性原理，伽利略变换。理解狭义相对论基本原理。洛 仑兹变换。理解狭义相对论时空现（同时的相对性、运动物体长度缩短、 时间膨胀）。理解质量和速度的关系，质量和能量的关系。会计算有关简 单问题。
讨论
6
例: 一飞船和慧星相对于地面分别以0.6c和0.8c速度相向运动， 在地面上观察，5s后两者将相撞，问在飞船上观察，二者将经历 多长时间间隔后相撞？ 解答一: 两者相撞的时间间隔Δ t = 5s是运动着的对象（飞船和慧 星）发生碰撞的时间间隔，因此是运动时．在飞船上观察的碰 撞时间间隔t是以速度v = 0.6c运动的系统的静止时，根据时间 膨胀公式 t t 1(v/ c)2 可得时间间隔为
大学物理相对论课件
实验结果：没发现地球相对以太的运动！ 实验结果排除了“以太”参考系的存在。
二．洛伦兹变换 O、O重合时， t=t=0 1 v 1 2 c
y S O z
y
v
P
x
S
z O
x
y=y z=z 比较正变换与逆变换: vx t (t 2 ) c 带撇与不带撇互换、负号与正号互换 有撇 无撇 正变换S (S) 1) 洛伦兹变换是同一事件在 说明： 逆变换? S(S ) 推导过程略 两个惯性系中的两组时空坐标间的 x ( x vt ) 变换方程。 y=y 即：同一个研究“对象”被两个参 z=z 考系的观察者研究。 “二看一”！ 无撇 有撇
二、 迈克尔孙-莫雷实验 1．光速问题引起的矛盾 (1)．由麦克斯韦方程组得： 真空中的光速不变。 电磁波速(理论值)：
0 0 结论： c与传播方向无关、 与光源运动无关、 y
c 1
=299792458 m/s
S y S
与观ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ者(惯性系)的运动无关！
(2)．由伽利略变换得： 真空中的光速变。
x ( x vt)
vx t (t 2 ) c
若不是同一事件，则无此关系。
1 说明： 1) 洛伦兹变换是同一事件在两个惯性 v c 1 系中的两组时空坐标间的变换方程。
“二看一”！ x ( x vt) 2) 各惯性系的时间、空间度量基准必须一 y=y z=z 致。
设光源P 固定在S系， 光速 ： uS=c S 系， 沿x 轴正向：ux=cv 沿x 轴反向：ux = (c+v) 在x 轴的方向： uy = uz c 2 v 2
O z z
P
O
大学物理相对论2
x
Z
Z′
A
X
2
X′
x x ut S
2
u x x 1 2 S c
u x x 1 2 ut c x ut x 2 u 1 2 c
x ut x 2 u 1 2 c
联立上述两式，消去 这就是同一事件 在不同参照系中 时间坐标的关系
x ut x 2 u 1 2 c
由于
u c, vs c
uvs (1 2 ) 0 c
t2 t1 uvs t1 t2 (1 2 ) 2 c u 1 2 c
uvs (1 2 ) 0 c
t1 ) 就总与 (t2 t1 ) 同号 (t2
在S 系中观察，如果 A 事件先于 B 事件发生， 则在任何惯性系S′ 系中观察， A 事件也先于 B 事件发生， 时间顺序不会颠倒， 狭义相对论在这一点上是符合因果关系的要求的。
由于信号实际上是一些物体或无线电波、光波等， 因而信号速度总不能大于光速。
x2 x1 对于这种有因果关系的两个事件，vs c t2 t1
上式可改写成
u t2 t1 2 ( x2 x1 ) c t1 t2 2 u 1 2 c
t2 t1 u ( x2 x1 ) t1 t2 [1 2 ] 2 c t2 t1 u 1 2 c
Z
S
O Z
′ S Y
Y′
★
P
u
X
X′
O′ Z′
现在空间某点P 处发出一闪光 在S 系中观察，测得闪光 ( x , 发生的时间和空间坐标 在 S′系中观察，测得闪光 发生的时间和空间坐标
y, z, t )
( x, y, z, t )
相对论公开课PPT课件
1
v c
2 2
1
(0.998c)2 c2
• 在这段时间内μ子能飞过的平均路程有： s=cτ=3×108×3.48×10-5=10.44 km.
第14页/共27页
• 例题：对于前面在时钟延缓效应中讨论过的例题， 也可以从相对论的尺缩效应来看这个问题：被μ子 穿越的大气层厚度约是10.44km，但如果以μ子 为惯性参照物，则μ子是静止的，大气层在以 v=0.998c的速度向μ子运动，所以以静止的μ子 测得运动的大气层厚度只有：
第4页/共27页
第5页/共27页
Albert Einstein
1879 –1955
高速世界的两个基本原理
• 爱因斯坦的办法：于1905年写了一篇论文提出了他的想法： • 1、相对性原理：物理规律在一切惯性参照系中都具有相同的形式。 • 2、光速不变原理：在一切惯性系中，测量到的真空中的光速c都一样。
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(C)
感谢您的观看！
第27页/共27页
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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
u v
1
uv c2
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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：
4h2 c2 v2
第8页/共27页
t t 1 v 2 c
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
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
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，
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则由
t1'=t1，t2'=t2
得在S'系中Dt'=t2'-t1'=t2-t1=Dt
2020/10/3
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10
第3章 相对论
第一篇 力学基础
经典力学的绝对时空观
•长度：关于长度的定义及长度测量
的说明：
杆的长度由其两端的坐标差确定
l=x2-x1 静止：端点坐标值不随时间变化，坐
3
第3章 相对论
第一篇 力学基础
College Physics
第3章 相对论
第一篇 力学基础
College Physics
第3章 相对论
第一篇 力学基础
College Physics
相对论
狭义相对论 (Special Relativity) 研究 : 惯性系中物理规律及其变换 揭示 : 时间、空间和运动的关系
College Physics
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.
1888年赫兹(Hertz)在实验上证实了电磁波的存在。
2020/10/3
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13
第3章 相对论
E
o
H
第一篇 力学基础
College Physics
平面电磁波
u x
按伽利略变换,光速在一个参考系中若是c, 在另一参考系中必不是c。
2020/10/3
9
第3章 相对论
第一篇 力学基础
College Physics
经典力学的绝对时空观
时间： •同时性的绝对性：在一惯性系中同时发生的两件事，
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，
S
m 1 v 1 m 2 v 2 m 1 v 1 0 m 2 v 2 0
推广：对于所有的惯性系，牛顿力学的规律都应
有相同的形式——力学相对性原理。
•所有的惯性系都是相同的，各个惯性系都是等价的，不 存在特殊的绝对的惯性系。
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第3章 相对论
第一篇 力学基础
College Physics
全超导托卡马 克EAST(原名 HT-7U)核聚变 实验装置(人造 太阳)
中国人造太阳完成首次调试 (20060314) 年内运行
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1
第3章 相对论
第一篇 力学基础
本章基本要求
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2
第3章 相对论
本章作业
第一篇 力学基础
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Chapter 3： 1-5,7,8,17,18,19,20,22,23其他 选作
思考的机会 练习的机会 检验的机会 考…的机会
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P
x' x vt y' y z' z t' t
加速度变换
o
x x'vt y y'
z
z
o
x x
速度变换
z z' t t'
vx' vx v vx vx'v
vy' vy
vy vy'
a
x'
a
x
vz' vz
vz vz'
a y' a y
a
z
'
az
伽利略时空变换式
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2E
2B
1 c2 1
2E
t
2
2B
0 0
c2 t 2
与参照系无关
c 1
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第3章 相对论
E
o
H
第一篇 力学基础
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平面电磁波
u x
1865年麦克斯韦( Maxwell)总结出电磁场方程组; 预言 了电磁波的存在, 并指出其速率各向均为c (真空中)(与参 考系无关);
标测量可在不同时刻进行
运动：端点坐标值随时间变化，坐标
测量必须在同时刻进行
•空间的绝对性
S'中，杆静止，测得x2'、x1'，则l'= x2'- x1' S系运动，在S系中同时测量，当时刻为t 时，
x1'=x1-vt，x2'=x2-vt S系中测得l=x2-x1=(x2'+vt)-(x1'+vt)=x2'-x1'=l'
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第3章 相对论
E
o
H
第一篇 力学基础
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平面电磁波
u x
以太说：
宇宙中弥漫着一种无所不在的媒质，万物（包 括光）相对于该媒质运动。以太实际上被认为是 一种绝对空间。
若以太存在，对地球上的观察者来，不同方向的 光速应不同。
•所有的惯性系都是相同的，各个惯性系都是等价的，不 存在特殊的绝对的惯性系。
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第3章 相对论
第一篇 力学基础
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如：动量守恒定律
S m 1 v 1 m 2 v 2 m 1 v 1 0 m 2 v 2 0
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
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第3章 相对论
3.1 伽利略变换
坐标变换
y 第一篇 力学基础
y
s s
vt
College Physics
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第3章 相对论
第一篇m a
mm aa
College Physics
Fm a F m a
牛顿运动（宏观、低速）定律对任何惯性系都是成立的。
推广：对于所有的惯性系，牛顿力学的规律都应
有相同的形式——力学相对性原理。
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在彼此相对 运动的惯性 系中，测得 同一杆的长 度是相同的
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第3章 相对论
第一篇 力学基础
College Physics
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平面电磁波
u x
D E B t
B 0
H jD t