狭义相对论的产生-两个基本原理解析PPT精品课件
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第十八章狭义相对论基础精品PPT课件
v e
运动有关，从e点发出的光的
光速为 Cv
Cv Cv
从f点发出的光的光速为 Cv
因星星离我们很远，就可能 出现当从e点发出的光到达地
球时，f点发出的光也赶到地
球，这样我们就可以同时在空
因为这意味着经典物理学出了问题，意味着什 么绝对时间、绝对空间、伽利略变换等等都是胡 言乱语。就像一朵乌云一样遮住了物理学晴朗的 天空。
一部分人感到沮丧，我们顶礼模拜的牛顿 定律尽然不灵了，这…岂不是科学的毁灭吗!
有一部分人不相信实验的真实性，继续改进实验
设备作实验。实验精度越来越高，能作实验的人
第十八章 狭义相对论基础
历史背景
19世纪末页，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。”
--开尔文--
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！
但开尔文毕竟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：
“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有 两朵令人不安的乌云，----”
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。
相对论问世
狭义相对论的基本原理PPT课件
个光信号。 经一段时间，光传到 P点。
我们可以把光到达P点看作一个事件。而事件是在一 定的空间和时间中发生的，可以用时空坐标来表示。
S P x,y,z,t 寻找 对同一客观事件，两
个参照系中相应的坐
S P x ,y,z,t
标值之间的关系。
.
4
1.洛仑兹坐标变换 •由光速不变原理：
x2y2z2c2t2 (1 )
S S u
P
xx O O’ ’
x 2y 2 z2 c2 t2(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 yy zz
•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 xt (3 )上述四式，利用比较
例2、设想一飞船以0.80c的速度在地球上空飞行， 如果 这时从飞船上沿速度方向抛出一物体，物体 相对飞船速 度为0.90c 。问：从地面上看，物体速度多大？
解： 选飞船参照系为S’系。 地面参照系为S系。
S S’ u
u0.80 c vx 0.90c
X(X’)
由洛仑兹速度变换关系可得：
vx
vx u
1
u c2
v x
0.90c0.80c 10.800.90
0.99c
.
13
下面我们来考察空间中的两个不同事件。
3.两个事件的时空关系
对于不同的两个事件：
S
事件1
(x1 , t1 )
事件2
x2,t2
S
x1 ,t1
x2 ,t2
两事件时间间隔 t t2t1 tt2 t1
41狭义相对论基本原理洛伦兹变换精品PPT课件
x
在 K中Px,y,z,t寻找 对同一客观事件
在 K'中 P x,y,z,t
两个参考系中相应的 坐标值之间的关系
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坐标变换式
x x vt
1
v2 c2
y y
z z
t
t
v c2
x
1
v2 c2
x ' v t'
x
1
v2 c2
y y
或
z z
t
t
v c2
x'
1
v2 c2
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t't'2t'1
2l2
c1
v2 c2
2l1
c1
v2 c2
1/
2
上页 下页 返回 退出
上页 下页 返回 退出
如果实验前提正确，应该观察到0.4条的条纹移动。 可是他们没有得到应有结果。后来又在德国、美国、 瑞士多次重复该实验，得到的仍然是 “0结果”。迈 克尔逊在 70 高龄时仍在做这方面的工作。
x x vt
y y z z
伽利略变换
t t
变换无意义
速度有极限
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在实际应用时常用相对量的变换
{ { x
=
x
1
ut β2
或
t = t ux c 2
x
=
x + ut 1β 2
t = t +u x c 2
1β 2
1β 2
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思考题：
1. 在某一惯性系中同时同地发生的事件，在所有其他惯性
令
v
c
则
在 K中Px,y,z,t寻找 对同一客观事件
在 K'中 P x,y,z,t
两个参考系中相应的 坐标值之间的关系
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坐标变换式
x x vt
1
v2 c2
y y
z z
t
t
v c2
x
1
v2 c2
x ' v t'
x
1
v2 c2
y y
或
z z
t
t
v c2
x'
1
v2 c2
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t't'2t'1
2l2
c1
v2 c2
2l1
c1
v2 c2
1/
2
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如果实验前提正确，应该观察到0.4条的条纹移动。 可是他们没有得到应有结果。后来又在德国、美国、 瑞士多次重复该实验，得到的仍然是 “0结果”。迈 克尔逊在 70 高龄时仍在做这方面的工作。
x x vt
y y z z
伽利略变换
t t
变换无意义
速度有极限
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在实际应用时常用相对量的变换
{ { x
=
x
1
ut β2
或
t = t ux c 2
x
=
x + ut 1β 2
t = t +u x c 2
1β 2
1β 2
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思考题：
1. 在某一惯性系中同时同地发生的事件，在所有其他惯性
令
v
c
则
大学物理相对论ppt课件
比 B早接收到光
事件1、事件2 不同时发生
事件1先发生 t 0
6-3 狭义相对论的时空观——爱因斯坦火车
用洛仑兹变换式导出
t2
t2
u c2
x2
1 u2 c2
t1
t1
u c2
x1
1 u2 c2
t
t2
t1
t
u c2
1 u2
x
c2
若x 0 已知 t 0
t
u c2
x
0
同时性的相对性
在一个惯性系的不同地点同时发生的两个事件，在另一 个惯性系是不同时的。
2、 纵向效应
l l0 1 u2 c2
在两参考系内测量的纵向（与运动方向垂直）
的长度是一样的。
3、在低速下 伽利略变换
l l0 1 u2 c2
u c l l0
6-3 狭义相对论的时空观
例2、原长为10m的飞船以u＝3×103m/s的速率相对于地
面匀速飞行时，从地面上测量，它的长度是多少？
t
t
u c2
x
1 u2 c2
c
5.77 109 s
u c 1 ( x )2 x
6-3 狭义相对论的时空观
二.长度的相对性
运动的棒变短
长度测量的定义
对物体两端坐标的同时测量， 两端坐标之差就是物体长度。
S S
u
l0
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
u
隧
a火 车b
A
道
B
在地面参照系S中测量，火车长度要缩短。但隧道的B端 与火车b端相遇这一事件与隧道A端发生闪电的事件不是同时的， 而是B端先与b端相遇，而后A处发生闪电，当A端发生闪电时， 火车的a端已进入隧道内，所以闪电仍不能击中a端。
《狭义相对论》PPT课件
第
十 三
狭义
讲
相对论
运动是相对的，在研究运动相对性问题时，认识到 了参考系的概念。
本章研究的问题:
在两个惯性系中考察同一物理事件
通常： 实验室参考系 定为S系 运动参考系 定为S’系
1.伽利略相对性原理
从“三大守恒定律”到“牛顿运动定 律”，完成了“经典力学”的构建。几 乎可以用来解释所有宏观、低速运动现 象。 正如欧几里德几何建立在几条基本假设 的基础上， “经典力学的大厦”建立在“伽利略时 空观”的假设上。
o
v
vt
P
o' x '
x xx
之t坐时标后刻的质点研在究两参都照是系限下的于应z用这些z ' 基本规
律S解系决具zxy 体zxy问'''v题t 。
S '系
x' x vt y' y z' z
t t'
t't
r＝r vt dr ＝dr v dt dt
u u'v a du dt a' du' dt
界 体
伽利略相对性原理
系
的 对
力学规律对所有惯性系平权——
话
》 力学规律在所有惯性系中有同样的表达形式。
伽经利典略力坐学标规变律换 ：
S S'
建一个立参在照系伽静利止-略---时--空S 观系，上y 的动y力' 学量的
守另v 运一恒动个条-参--照件-系--的沿S’规o系x范，轴。以 实t 施0 方时两法坐：标重合 牛x 顿x'运 0动定律
迈克尔孙-莫雷实验的“零”结果
基本假设：光是波动；光在“以太”中以速度c传播；“以太”
十 三
狭义
讲
相对论
运动是相对的，在研究运动相对性问题时，认识到 了参考系的概念。
本章研究的问题:
在两个惯性系中考察同一物理事件
通常： 实验室参考系 定为S系 运动参考系 定为S’系
1.伽利略相对性原理
从“三大守恒定律”到“牛顿运动定 律”，完成了“经典力学”的构建。几 乎可以用来解释所有宏观、低速运动现 象。 正如欧几里德几何建立在几条基本假设 的基础上， “经典力学的大厦”建立在“伽利略时 空观”的假设上。
o
v
vt
P
o' x '
x xx
之t坐时标后刻的质点研在究两参都照是系限下的于应z用这些z ' 基本规
律S解系决具zxy 体zxy问'''v题t 。
S '系
x' x vt y' y z' z
t t'
t't
r＝r vt dr ＝dr v dt dt
u u'v a du dt a' du' dt
界 体
伽利略相对性原理
系
的 对
力学规律对所有惯性系平权——
话
》 力学规律在所有惯性系中有同样的表达形式。
伽经利典略力坐学标规变律换 ：
S S'
建一个立参在照系伽静利止-略---时--空S 观系，上y 的动y力' 学量的
守另v 运一恒动个条-参--照件-系--的沿S’规o系x范，轴。以 实t 施0 方时两法坐：标重合 牛x 顿x'运 0动定律
迈克尔孙-莫雷实验的“零”结果
基本假设：光是波动；光在“以太”中以速度c传播；“以太”
第3章 狭义相对论_PPT课件
相对性原理
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。
伽利略坐标变换
tt'0
o 与 o' 重合
位置坐标变换公式
s y s' y'
y y ' u
ut
x'
o
z z1
o'
z' z'
x
*
P(x, y, z,t) (x', y', z',t)
x' x
x'xut
y' y
1
自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中， 上帝说：“让牛顿去吧，”于是一切都成 为光明。
后人续写道: 上帝说完多少年之后，魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，” 于是一切又回到黑暗中。
牛顿: Newton
爱因斯坦: Einstein
绝对时空观 伽利略变换 1
现代时空观 洛伦兹变换
经典力学的相对性原理
(对于不同的惯性系，对于运动 的描述是相对的，但是力学的 基本定律---牛顿定律，其形式 都是一样的。）
爱因斯坦相对性原理、光速不变
一、 狭义相对论的两条基本原理
1.相对性原理
1
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。 2.光速不变原理
在一切惯性系中，光在真空中的速率恒为c ，与 光源的运动状态无关。
洛伦兹坐标变换
tt'0
o 与 o' 重合
x' xut (xut) 12
a
a
du
dt
若u＝常矢量
S 系中：
Fma
FFm mS 系中：S系中1： F m a
第一章狭义相对论基础精品PPT课件
电磁波(光)传播的媒质是 以太,以太静止在绝对空间.
§2 迈克耳孙—莫雷实验
一.问题的提出
光相对以太的传播速度为c, 若有其它惯性系相对绝对空
•是否有一个与绝对空间相对 间运动,则相对此惯性系的
静止的参考系？
速度将不是c.
•如果有,如何判断它的存在?
•显然力学原理不能找出这 个特殊的惯性系,那么电磁 学现象呢?
y y S S
两者重合.
说,都遵从同样的规律;或者
y y
说,在研究力学规律时,一切 惯性系都是等价的.——力 学相对性原理.
二.伽利略变换式
v
vt
O O
•P
x
x
z z
x x
力学相对性原理的数学表述. z z
考虑两个惯性参考系S(Oxyz)
S相对S系以v沿x轴运动 和S(Oxyz), 它们的对应坐
点P在两坐标系中的关系为: 标轴相互平行, 且S系相对
换言之,绝对静止的参考 系是不存在的.
§3.狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式
x x vt
y y
z
z
或
t t
x x vt
y y
z
z
t t
——伽利略速度变换.
其矢量形式为: u= u + v
上式再对时间求导:
a a
x y
a a
x y
a z a z
其矢量形式为:
a = a
物体的加速度对伽利略 变换是不变的.
即牛顿定律对S系和S 系有相同的形式.
x x vt
y
y
z z
S系以速度沿Ox轴的正方向 运动.开始时,两惯性系重合.
伽利略位置坐标变换 t=0时，
第八章-狭义相对论基础PPT教学课件
第五篇 近 代 物 理 学 基 础
十九世纪末，经典物理学（力学、电磁学、光学、 热学）已发展到相当完善的阶段，但一些新的实验 事实却对经典物理学产生了新的冲击。
一个是迈克尔孙—莫雷实验否定了绝对参照系（以 太）的存在；另一个是热辐射现象不能用经典物理 学的理论加以解释。前者导致了狭义相对论的诞生； 而后者则最终产生了量子理论。
…… ……
2020/10/16
13
§8-2 狭义相对论的两个基本原理
1905年爱因斯坦在《论动体的电动力学》一文 中提出了狭义相对论的两个基本假设，从而建立了 相对论理论。而牛顿力学则作为相对论在低速情况 下的一个特例。
2020/10/16
14
(1) 狭义相对性原理：
物理定律的形式（力的、光的、电磁的等）在 所有惯性系中都是相同的。即所有惯性参照系 都是等价的。
2020/10/16
16
1、同时的相对性：
设一列车固定于S’系，车厢中部有一 闪光灯M’。A’、B’为固定于车厢两端 完全同步的时钟。且M’A’ = M’B’。某 时刻由M’发出一闪光信号。
Y Y'
S系 S’系
u
A'
M'
B'
o o' u c Z Z'
2020/10/16
3
➢经典时空观
(1) 伽利略变换和经典时空观
➢相对论时空观
(2) 狭义相对论的两个基本原理 (3) 同时的相对性、时间延缓、长度收缩 (4) 洛仑兹变换和相对论时空观 (5) 相对论速度变换
➢狭义相对论动力学
(6) 狭义相对论动力学基础
2020/10/16
4
§8-1 伽利略变换、经典时空观
十九世纪末，经典物理学（力学、电磁学、光学、 热学）已发展到相当完善的阶段，但一些新的实验 事实却对经典物理学产生了新的冲击。
一个是迈克尔孙—莫雷实验否定了绝对参照系（以 太）的存在；另一个是热辐射现象不能用经典物理 学的理论加以解释。前者导致了狭义相对论的诞生； 而后者则最终产生了量子理论。
…… ……
2020/10/16
13
§8-2 狭义相对论的两个基本原理
1905年爱因斯坦在《论动体的电动力学》一文 中提出了狭义相对论的两个基本假设，从而建立了 相对论理论。而牛顿力学则作为相对论在低速情况 下的一个特例。
2020/10/16
14
(1) 狭义相对性原理：
物理定律的形式（力的、光的、电磁的等）在 所有惯性系中都是相同的。即所有惯性参照系 都是等价的。
2020/10/16
16
1、同时的相对性：
设一列车固定于S’系，车厢中部有一 闪光灯M’。A’、B’为固定于车厢两端 完全同步的时钟。且M’A’ = M’B’。某 时刻由M’发出一闪光信号。
Y Y'
S系 S’系
u
A'
M'
B'
o o' u c Z Z'
2020/10/16
3
➢经典时空观
(1) 伽利略变换和经典时空观
➢相对论时空观
(2) 狭义相对论的两个基本原理 (3) 同时的相对性、时间延缓、长度收缩 (4) 洛仑兹变换和相对论时空观 (5) 相对论速度变换
➢狭义相对论动力学
(6) 狭义相对论动力学基础
2020/10/16
4
§8-1 伽利略变换、经典时空观
大学物理第四章狭义相对论基础描述PPT课件
20
②当 u时c，
略变换：
x x ut
y y
z z
t t
1
u c
2 2
洛 1仑兹变换可以简化为伽利
x x ut y y z z t t
即伽利略变换是洛仑兹变换在低速时的近似。
可见洛仑兹变换有更为普遍的意义。
性系都是等价的。
--伽利略相对性原理
2.力学规律在所有惯性系中相同数学表达形式。
3.时间和空间都是绝对的，无关联的。
4
二、伽利略变换 在参考系中发生的一个物理事件要用四个坐标
（x、y、z、t）来描述。
设S系和S'系都是惯性参照系，且：
S'系相对于S系沿x轴以速度u 运动，
开始时t=t' =0坐标原点O和O'重合。
二、爱因斯坦假设 1.1905年爱因斯坦在他的论文中，大胆地提出 两条假设，这就是狭义相对论的基本原理。 2.两条基本假设： （1）相对性原理
在所有惯性系里，一切物理定律都相同。 即：具有相同的数学表达式。
所有惯性系都是等价的。
这是牛顿相对性原理的推广。即在所有惯性系里 ，不但力学定律成立，而且电磁定律、光的定律 、原子物理定律和其它物理定律都同样成立。 13
揭示了时间、空间与引力的关系。
相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动 这些物理学的基本概念，给出了科学而系统的时 空观和物质观，从而使物理学在逻辑上成为完美 的科学体系。
3
4-1 力学相对性原理 伽利略变换
一、 力学相对性原理
1.表述：描述力学现象的规律不随观察者所选的
惯性系而改变，或者说，研究力学规律时一切惯
x
1 2
1 2
18
①两坐标间的变换关系：
②当 u时c，
略变换：
x x ut
y y
z z
t t
1
u c
2 2
洛 1仑兹变换可以简化为伽利
x x ut y y z z t t
即伽利略变换是洛仑兹变换在低速时的近似。
可见洛仑兹变换有更为普遍的意义。
性系都是等价的。
--伽利略相对性原理
2.力学规律在所有惯性系中相同数学表达形式。
3.时间和空间都是绝对的，无关联的。
4
二、伽利略变换 在参考系中发生的一个物理事件要用四个坐标
（x、y、z、t）来描述。
设S系和S'系都是惯性参照系，且：
S'系相对于S系沿x轴以速度u 运动，
开始时t=t' =0坐标原点O和O'重合。
二、爱因斯坦假设 1.1905年爱因斯坦在他的论文中，大胆地提出 两条假设，这就是狭义相对论的基本原理。 2.两条基本假设： （1）相对性原理
在所有惯性系里，一切物理定律都相同。 即：具有相同的数学表达式。
所有惯性系都是等价的。
这是牛顿相对性原理的推广。即在所有惯性系里 ，不但力学定律成立，而且电磁定律、光的定律 、原子物理定律和其它物理定律都同样成立。 13
揭示了时间、空间与引力的关系。
相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动 这些物理学的基本概念，给出了科学而系统的时 空观和物质观，从而使物理学在逻辑上成为完美 的科学体系。
3
4-1 力学相对性原理 伽利略变换
一、 力学相对性原理
1.表述：描述力学现象的规律不随观察者所选的
惯性系而改变，或者说，研究力学规律时一切惯
x
1 2
1 2
18
①两坐标间的变换关系：
《狭义相对论》课件
原子能级移动
总结词
狭义相对论预测了原子能级的移动，即原子能级的位 置会因为观察者的参考系而有所不同。
详细描述
根据狭义相对论，原子能级的位置会因为观察者的参 考系而有所不同。这是因为狭义相对论引入了新的物 理概念，如时间和空间的相对性，这导致了原子能级 位置的变化。这种现象被称为原子能级移动。
06
狭义相对论的背景和历史
狭义相对论的产生背景是19世纪末物 理学界出现的一系列实验结果，这些 结果无法用经典物理学解释，如迈克 尔逊-莫雷实验和洛伦兹收缩实验。
狭义相对论的提出者爱因斯坦在1905 年提出了特殊相对论，这是狭义相对 论的早期形式。在特殊相对论中，爱 因斯坦解释了时间和空间并不是绝对 的，而是相对的，并且提出了著名的 质能等价公式E=mc^2。
狭义相对论不仅在物理学领域产生了深远影响，还对哲学 、数学等相关学科产生了影响，促进了跨学科的交流与融 合。
THANKS
感谢观看
这与经典物理学中的绝对时空观念相矛盾，因为在经典物理 学中，时间和空间是绝对的，物理定律在不同的参照系中会 有所不同。
光速是恒定的，与观察者的参考系无关
这一假设表明光在真空中的速度对于 所有观察者都是一样的，无论观察者 的运动状态如何。这是狭义相对论中 最基本、最重要的假设之一。
这个假设与经典物理学中的光速可变 观念相矛盾，因为在经典物理学中， 光速会随着观察者的参考系而有所不 同。
03
时间膨胀和长度收缩
时间膨胀
总结词
时间膨胀是狭义相对论中的一个重要概念，指在高速运动的参考系中，时间相对于静止参考系会变慢 。
详细描述
根据狭义相对论，当物体以接近光速运动时，其内部的时间会相对于静止参考系减慢，这种现象被称 为时间膨胀。这是由于在高速运动状态下，物体的时间进程受到相对论效应的影响。
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时间延缓（Time Dilation ）
2021/3/1
7
二、狭义相对论的一些结论：
相对质量
mm0
4
3 2
1
uc
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
回旋加速器 （Cyclotron）
2021/3/1
电子质量随速度的变化 8
二、狭义相对论的一些结论：
相对论多普勒效应（Relativistic Doppler Effect）
坚持批判思想
2021/3/1
15
一. 狭义相对论的产生 ４.两个基本原理（Two Principles of Special
Theory of Relativity）
（1）相对性原理（The Relativity Principle） 物理规律在所有的惯性系中具有相同的 表达形式．
（2）光速不变原理（The Speed of Light Principle）
真空中的光速是常量，与光源或观测者的 运动无关.
2021/3/1
16
二. 洛伦兹变换关系
1. 洛伦兹变换 (The Lorentz Transformation)
线性变换
s s'
y y'
1.运动方程线性（惯性系）；
2.时间、空间均匀且各向同性
v
* P (x,y,z,t)
(x',y',z',t')
x'a(v)xvt o o'
（2）电磁学规律与绝对时空观的矛盾
真空中光速不变与Galileo速度变换式； Maxwell 方程组不满足相对性原理。（追光实验）
（3）矛盾的解决 电磁学规律正确，需建立新的时空变换关系；
Galileo速度变换式正确，电磁学规律不符合相
对性原理。光速只在一特殊参考系（绝对参考
2021/3/1系）—— 以太中保持不变。
14
一. 狭义相对论的产生 ３. 爱因斯坦建立狭义相对论
（1）了解到马赫、彭加勒对绝对时空观的批判； （2）了解到迈克尔孙－莫雷实验的零结果； （3）了解到洛伦兹在提出收缩公式和Lorentz 变换式，但坚持绝对时空观，无法解释零结果；
抛弃以太，光速是常量，与惯性系的选取 无关；
坚持自然界规律简单、和谐、统一 、
相对论包括:
狭义相对论（1905）
只适用于惯性系； 是由爱因斯坦在洛仑兹和庞加莱等人的工作 基础上创立的“时空理论”，是对牛顿时空观 的拓展和修正。
广义相对论（1915）
包括惯性系、非惯性系； 以几何语言建立而成的引力理论，将引力 20改21/3/1描述成因时空中的物质与能量而弯曲的时空4 。
一、狭义相对论研究：
事件何时发生？在哪里发生？ 事件之间相隔多远？相隔多久？ 时间和空间的关系？ 时间和长度的测量与参考系是否有关？ 物体的质量与运动是否有关？
2021/3/1
5
二、狭义相对论的一些结论：
长度收缩（Length Contraction）
2021/3/1
6
二、狭义相对论的一些结论：
2021/3/1
12
一. 狭义相对论的产生 1. 绝对时空观 与 力学相对性原理
（1）空间间隔（长度）、时间间隔、物体质量及 相互作用力是与参考系无关的绝对量；
（2）物体的位置、速度、动量和动能则是与参考系 有关的相对量。对于两个相对作匀速直线运动的
参考系，物体的位置、速度关系遵从伽利略变换；
（3）在所有参考系中，惯性系占有特殊地位。
牛顿运动定律，能量、动量、角动量定理及其守恒定
律只在惯性系中成立。这些力学规律在Galileo变换下
保持数学形式不变。
2021/3/1
——
力学相对性原理
13
一. 狭义相对论的产生
2. 电磁学发展及其与绝对时空观的矛盾
（1）电磁学规律： Maxwell 方程组
在真空中 c1 002.99 1880 m/s
s s'
y y'
v
* P(x,y,z,t)
(x',y',z',t')
x(x'vt')
逆 y y'
变 z z'
o o'
z z'
x ' x v t
xx'
换
x'(xv)t
t
(t'cv2
x'
)
伽
洛
利 y' y
伦
略 变
z'zvc兹 变
t't 换 2021/3/1
换
y'y
z'z
t'(tcv2 x)
1 12
xx'
z z'
相对性原理
xa ( v)x ' v t
光速不变原理 x2y2z2c2t2 x 2 y 2 z2 c2 t2Biblioteka 2021/3/117
详见：卢德馨 University Physics (second Edition) P160
二. 洛伦兹变换关系
1. 洛伦兹变换 (The Lorentz Transformation)
2021/3/1
9
三、狭义相对论的重要性：
建立了适用于高速运动的 更加精确的时空观； 促进了原子能的利用；
导致了广义相对论的建立， 在天体观测中有重要应用。
2021/3/1
10
四、从三个方面讨论狭义相对论：
基本原理（假设) 时空观 动力学
2021/3/1
11
教学目标
1. 了解狭义相对论的产生过程 2. 理解两个基本原理 3. 掌握洛伦兹变换关系 4. 理解相对论时空观 5. 理解同时的相对性
NO. 6-1
第十四章 相对论
Relativity
2021/3/1
1
2014年3月8日，马航客机MH370失联；
很久未确定飞机位置的原因：依靠地面雷达的空管技术难以掌
握飞机实际位置。
2021/3/1
2
NAVSTAR permits locations and speeds any where on Earth to be determined to within about 16 m and 2 cm/s. However, if relativity effects were not taken into account, speeds could not be determined any closer than about 20 cm20/2s1/3,/1which is unacceptable for modern navigation syste3ms.
v
c 18
二. 洛伦兹变换关系 2. 速度相对性 (The Relativity of Velocities )
u
x
ux
1
v
v c2
ux
u
y
uy
1
12
v c2
ux
2021/3/1 uz u1z1cv2u2x
x'(xv)t
y'y
z'z
t'(tv x)
c2
—— 速度变换
19
三. 狭义相对论时空观
2021/3/1
7
二、狭义相对论的一些结论：
相对质量
mm0
4
3 2
1
uc
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
回旋加速器 （Cyclotron）
2021/3/1
电子质量随速度的变化 8
二、狭义相对论的一些结论：
相对论多普勒效应（Relativistic Doppler Effect）
坚持批判思想
2021/3/1
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一. 狭义相对论的产生 ４.两个基本原理（Two Principles of Special
Theory of Relativity）
（1）相对性原理（The Relativity Principle） 物理规律在所有的惯性系中具有相同的 表达形式．
（2）光速不变原理（The Speed of Light Principle）
真空中的光速是常量，与光源或观测者的 运动无关.
2021/3/1
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二. 洛伦兹变换关系
1. 洛伦兹变换 (The Lorentz Transformation)
线性变换
s s'
y y'
1.运动方程线性（惯性系）；
2.时间、空间均匀且各向同性
v
* P (x,y,z,t)
(x',y',z',t')
x'a(v)xvt o o'
（2）电磁学规律与绝对时空观的矛盾
真空中光速不变与Galileo速度变换式； Maxwell 方程组不满足相对性原理。（追光实验）
（3）矛盾的解决 电磁学规律正确，需建立新的时空变换关系；
Galileo速度变换式正确，电磁学规律不符合相
对性原理。光速只在一特殊参考系（绝对参考
2021/3/1系）—— 以太中保持不变。
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一. 狭义相对论的产生 ３. 爱因斯坦建立狭义相对论
（1）了解到马赫、彭加勒对绝对时空观的批判； （2）了解到迈克尔孙－莫雷实验的零结果； （3）了解到洛伦兹在提出收缩公式和Lorentz 变换式，但坚持绝对时空观，无法解释零结果；
抛弃以太，光速是常量，与惯性系的选取 无关；
坚持自然界规律简单、和谐、统一 、
相对论包括:
狭义相对论（1905）
只适用于惯性系； 是由爱因斯坦在洛仑兹和庞加莱等人的工作 基础上创立的“时空理论”，是对牛顿时空观 的拓展和修正。
广义相对论（1915）
包括惯性系、非惯性系； 以几何语言建立而成的引力理论，将引力 20改21/3/1描述成因时空中的物质与能量而弯曲的时空4 。
一、狭义相对论研究：
事件何时发生？在哪里发生？ 事件之间相隔多远？相隔多久？ 时间和空间的关系？ 时间和长度的测量与参考系是否有关？ 物体的质量与运动是否有关？
2021/3/1
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二、狭义相对论的一些结论：
长度收缩（Length Contraction）
2021/3/1
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二、狭义相对论的一些结论：
2021/3/1
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一. 狭义相对论的产生 1. 绝对时空观 与 力学相对性原理
（1）空间间隔（长度）、时间间隔、物体质量及 相互作用力是与参考系无关的绝对量；
（2）物体的位置、速度、动量和动能则是与参考系 有关的相对量。对于两个相对作匀速直线运动的
参考系，物体的位置、速度关系遵从伽利略变换；
（3）在所有参考系中，惯性系占有特殊地位。
牛顿运动定律，能量、动量、角动量定理及其守恒定
律只在惯性系中成立。这些力学规律在Galileo变换下
保持数学形式不变。
2021/3/1
——
力学相对性原理
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一. 狭义相对论的产生
2. 电磁学发展及其与绝对时空观的矛盾
（1）电磁学规律： Maxwell 方程组
在真空中 c1 002.99 1880 m/s
s s'
y y'
v
* P(x,y,z,t)
(x',y',z',t')
x(x'vt')
逆 y y'
变 z z'
o o'
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x ' x v t
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换
x'(xv)t
t
(t'cv2
x'
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伽
洛
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伦
略 变
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换
y'y
z'z
t'(tcv2 x)
1 12
xx'
z z'
相对性原理
xa ( v)x ' v t
光速不变原理 x2y2z2c2t2 x 2 y 2 z2 c2 t2Biblioteka 2021/3/117
详见：卢德馨 University Physics (second Edition) P160
二. 洛伦兹变换关系
1. 洛伦兹变换 (The Lorentz Transformation)
2021/3/1
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三、狭义相对论的重要性：
建立了适用于高速运动的 更加精确的时空观； 促进了原子能的利用；
导致了广义相对论的建立， 在天体观测中有重要应用。
2021/3/1
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四、从三个方面讨论狭义相对论：
基本原理（假设) 时空观 动力学
2021/3/1
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教学目标
1. 了解狭义相对论的产生过程 2. 理解两个基本原理 3. 掌握洛伦兹变换关系 4. 理解相对论时空观 5. 理解同时的相对性
NO. 6-1
第十四章 相对论
Relativity
2021/3/1
1
2014年3月8日，马航客机MH370失联；
很久未确定飞机位置的原因：依靠地面雷达的空管技术难以掌
握飞机实际位置。
2021/3/1
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NAVSTAR permits locations and speeds any where on Earth to be determined to within about 16 m and 2 cm/s. However, if relativity effects were not taken into account, speeds could not be determined any closer than about 20 cm20/2s1/3,/1which is unacceptable for modern navigation syste3ms.
v
c 18
二. 洛伦兹变换关系 2. 速度相对性 (The Relativity of Velocities )
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c2
—— 速度变换
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三. 狭义相对论时空观