狭义相对论实验基础(张元仲著)思维导图
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第十七章狭义相对论基础
l ( x2 x1 ) 2 ( y2 y1 ) 2 ( z 2 z1 ) 2
l ( x2 x'1 ) 2 ( y2 y1 ) 2 ( z z1 ) 2 2
l l t t
绝对时空观：
时间：是一种自然的流逝。“绝对的真实的数学
t1 t2
t1 ' ux1 '/ c 2 1 u 2 / c2 t2 ' ux2 '/ c 2
1 u 2 / c2 t2 ' t1 ' u ( x2 ' x1 ') / c 2 t2 t1 1 u 2 / c2 t2 ' t1 ' t2 t1 1 u 2 / c 2 u ( x2 ' x1 ') / c 2 10 7 s 0.1 s
y S y S P
ut O O x
x 1 u 2 / c 2
x
x
z
z
考虑到横向长度不变，得：
x ' ( x ut ) y' y z' z t ' (t ux / c 2 )
( 1
2
x ( x ' ut ') y y' z z' t (t ' ux '/ c 2 )
2
t1
t2
t2 t1 0
——事件的先后顺序可能倒置。
若事件 1、2 间有因果关系，则
O y S
x1
t1
x2
t2
x
t2 t1 ( x1 x2 ) / c u ( x1 x2 ) / c 2
ch084 狭义相对论动力学基础.ppt
p
1
m( v )v
p m0v
m0v
满足对应原理。
2.能量与动量的关系
E mc2
m0c2 1 (v )2
c
m0c 2
1
c2 m2c4
(mv )2
m0c 2
1
c2 E2
p2
E 2 p2c2 m02c4
核电站 ……
目前世界最大的核电站日本福岛核电站
目前： 全世界运行核电机组：450多座 总装机容量：3.5亿千瓦； 占发电量：17％ 法国核电占总发电量70% 我国核电占总发电量1%，计划 2020年达到5%以上
广岛：1945年8月，投下的原子弹释放出1.2万吨 当量的核能，当场死亡14万人，5千米跨度的城市 化为废墟。到1950年，总死亡人数20万人，占广 岛总人数50％。
改造后的力学定律必须是洛仑兹变换的不变式.
2.对应原理的要求 新理论应该包容那些在一定范围内已被证明是正确 的旧理论，并在极限条件下过渡到旧理论。
即： 相对论力学量u c经典力学量 u c
相对论力学定律 经典力学定律
思路：重新定义质量、动量、能量，使相应的守恒 定律在相对论力学中仍然成立。
二、质量速关系
三.质能关系
将质速关系按幂级数展开，得
m( u ) m0
(1
u2 c2
1
) 2 m0
m0(1
1 2
u2 c2
3 8
u4 c4
)
两边同乘以 c得2
mc 2
m0c 2
1 2
m0u2(1
3 4
u2 c2
)
定义: 总能量
E m c2
质能关系
静能量
E0 m0c2
第19章狭义相对论基础概论
x)
1
1 2
u
c
（1）时间的测量与坐标有关，与选择的惯性 系有关。
时空不可分
（2）c为极限速度。
1 2 0 1 (u)2 0 u 1 u c
c
c
（3）u c :洛伦兹变换 伽利略变换。
x ( x ut)
y y
u 0:
z z t (t
u c2
x)
c
1
x x ut y y z z t t
等于c。
光速为c 光速为c
c u
x
x
三、洛伦兹变换
y y u
O O
P x x
z z S系：( x, y, z, t ) S系: ( x, y, z, t)
1. 洛伦兹坐标变换
x ( x ut)
x ( x ut)
y y
y y
z z t (t
u c2
x)
说明
z z
t
(t
u c2
x
cc
1
c2 c2
c
例：设飞船A和B相向运动，在地面上测得A、
B的速度沿x轴方向，各为0.9c和-0.9c，
求：（1）在飞船上看A相对于B的速度； （2）在地面上看A对B的速度。
解：(1)地面为S系，B为S系 y A B
u 0.9c
O
A为运动物体 vx 0.9c
z
x
vx
vx
1
u c2
u vx
(
u t1 ) c2 x2 x1 )
t1 t2
y y
O O x1
x
x2 x
2. 时间间隔的测量是绝对的
S系：t t2 t1 S'系：t t2 t1
大学物理学第五章 狭义相对论基础
y y
v c
z z
1 1 2
t
t
v c2
x
1 2
(t
v c2
x)
x ( x vt )
正 y y
逆
变 换
z z
t ( t
v c2
x)
变 换
x ( x vt )
y y
z z
t
(t
二 洛伦兹变换式
符合相对论理论的时空变换关系．
设 t t 0时， 重合o;, o事 件 P
s
y
s'
y'
v
P(x, y, z,t)
* (x', y', z',t')
的时空坐标如
图所示.
x'
zo
o'
z'
x
1 洛伦兹坐标变换式
x x vt ( x vt ) 1 2
t1
d c
t2
c
d
v
t1 t2
)
)
结果:
(
根 据 伽
球 投 出 前
利 略 变
球 投 出
换后
观察者先看到投出后的球，
后看到投出前的球.
c
d
v c v
t1
d c
t2
c
d
v
t1 t2
公元1054年,人们发现天上出现了一 颗“客星”,其耀眼的光芒,用肉眼在白 天也看得见.史书记载它在天空中停留了 22个月 ,产生了著名的金牛座蟹状星云 .
v c2
狭义相对论实验基础
狭义相对论实验基础
读书笔记
01 思维导图
03 精彩摘录 05 目录分析
目录
02 内容摘要 04 阅读感受 06 作者简介
思维导图
本书关键字分析思维导图
验证
包括
狭义相对 论应用读者 Nhomakorabea理论
理解
实验
狭义相对 论
实验
这些
数学
基础
通过
作者
研究
部分
基础
假设
内容摘要
内容摘要
《狭义相对论实验基础》是一本深入剖析狭义相对论实验依据与实证研究的科学著作。本书旨在 为读者提供一个全面、系统的理解狭义相对论的框架，并通过实验数据与观察结果来验证和支持 这一理论的正确性。 本书开篇简要介绍了狭义相对论的历史背景，包括其提出者爱因斯坦的生平及其对物理学的贡献。 接着，概述了狭义相对论的基本原理和假设，如光速不变原理和相对性原理，为后续的实验分析 奠定了理论基础。 这一部分详细阐述了狭义相对论的数学基础，包括洛伦兹变换、时间膨胀效应、长度收缩效应等。 通过数学公式的推导和解释，使读者能够更深入地理解这些物理现象的数学本质。 本书的核心部分是实验验证与观测。作者通过一系列精心设计的实验，如米歇尔-莫雷实验、肯 尼迪-汤姆孙实验等，来验证狭义相对论中的核心假设和预测。
《狭义相对论实验基础》的目录结构全面、系统，内容深入、详实。通过阅读 本书，读者可以全面了解狭义相对论的基本原理、实验验证方法以及应用前景， 对于深入学习和研究狭义相对论具有重要的参考价值。
作者简介
作者简介
这是《狭义相对论实验基础》的读书笔记，暂无该书作者的介绍。
谢谢观看
目录分析
《狭义相对论实验基础》是一本深入探索狭义相对论理论及其实验验证的著作。 本书目录结构清晰，内容涵盖了从狭义相对论的基本原理到实验验证的多个方 面，为读者提供了一个系统的学习和研究框架。
读书笔记
01 思维导图
03 精彩摘录 05 目录分析
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02 内容摘要 04 阅读感受 06 作者简介
思维导图
本书关键字分析思维导图
验证
包括
狭义相对 论应用读者 Nhomakorabea理论
理解
实验
狭义相对 论
实验
这些
数学
基础
通过
作者
研究
部分
基础
假设
内容摘要
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《狭义相对论实验基础》是一本深入剖析狭义相对论实验依据与实证研究的科学著作。本书旨在 为读者提供一个全面、系统的理解狭义相对论的框架，并通过实验数据与观察结果来验证和支持 这一理论的正确性。 本书开篇简要介绍了狭义相对论的历史背景，包括其提出者爱因斯坦的生平及其对物理学的贡献。 接着，概述了狭义相对论的基本原理和假设，如光速不变原理和相对性原理，为后续的实验分析 奠定了理论基础。 这一部分详细阐述了狭义相对论的数学基础，包括洛伦兹变换、时间膨胀效应、长度收缩效应等。 通过数学公式的推导和解释，使读者能够更深入地理解这些物理现象的数学本质。 本书的核心部分是实验验证与观测。作者通过一系列精心设计的实验，如米歇尔-莫雷实验、肯 尼迪-汤姆孙实验等，来验证狭义相对论中的核心假设和预测。
《狭义相对论实验基础》的目录结构全面、系统，内容深入、详实。通过阅读 本书，读者可以全面了解狭义相对论的基本原理、实验验证方法以及应用前景， 对于深入学习和研究狭义相对论具有重要的参考价值。
作者简介
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这是《狭义相对论实验基础》的读书笔记，暂无该书作者的介绍。
谢谢观看
目录分析
《狭义相对论实验基础》是一本深入探索狭义相对论理论及其实验验证的著作。 本书目录结构清晰，内容涵盖了从狭义相对论的基本原理到实验验证的多个方 面，为读者提供了一个系统的学习和研究框架。
第12章狭义相对论基础PPT课件
狭义相对论仅限于讨论在各惯性系内的观察者对 物理现象的测量结果。它揭示了作为物质存在形式的 空间和时间在本质上的统一性。
1
（2）广义相对论
广义相对论讨论任意运动着的非惯性系中的观 察者对物理现象的观测结果。它进一步揭示了时间、 空间与物质的统一性，指出了时间与空间不可能离 开物质而独立存在，空间的结构和性质取决于物质 的分布。
§12-1 经典力学的时空观（复习）
物理规律需要选用一定的参照系才能表述出来。在 经典力学中，根据实践经验引入了惯性参照系。凡是 牛顿运动定律成立的参照系就称为惯性参照系，而牛 顿运动定律不成立的参照系称之为非惯性参照系。
要决定一个参照系是否为惯性参照系只能依靠观察
和实验。
2
设 定v 系 s u 为 惯v 性`,a 参 照a 系`，
在牛顿力学里，质点的质 量和运动的速度没有关系， 力只与质点的相对运动有
s t
y o
r
o`
y`
s`
r
`pau0常0矢
r0 t` x x`
关 取F 无 ` 关; m 。 m ` ， F m a z 则 ` m ` a ` F ` 。
即，牛顿运动定律在s系与s`系均成立。因此，在 某一个惯性参照系的内部，我们用任何力学实验都不 可能测出本系统相对于其他惯性系的匀速直线运动的 速度。
3
由此可得出结论： （经典力学的相对性原理）
“相对一个惯性参照系作匀速直线运动的一切参 照系也都是惯性参照系”。或者说，“在相互作匀速 直线运动的一切惯性系中，物体所遵从的力学规律完 全相同。”
二、伽利略坐标变换
我们要描述某一个事件，应该说出事件发生的地点 和时间。这就需要用四个量来描述，既用x、y、z来描 述事件发生的位置，用t来描述事件发生的时刻。
1
（2）广义相对论
广义相对论讨论任意运动着的非惯性系中的观 察者对物理现象的观测结果。它进一步揭示了时间、 空间与物质的统一性，指出了时间与空间不可能离 开物质而独立存在，空间的结构和性质取决于物质 的分布。
§12-1 经典力学的时空观（复习）
物理规律需要选用一定的参照系才能表述出来。在 经典力学中，根据实践经验引入了惯性参照系。凡是 牛顿运动定律成立的参照系就称为惯性参照系，而牛 顿运动定律不成立的参照系称之为非惯性参照系。
要决定一个参照系是否为惯性参照系只能依靠观察
和实验。
2
设 定v 系 s u 为 惯v 性`,a 参 照a 系`，
在牛顿力学里，质点的质 量和运动的速度没有关系， 力只与质点的相对运动有
s t
y o
r
o`
y`
s`
r
`pau0常0矢
r0 t` x x`
关 取F 无 ` 关; m 。 m ` ， F m a z 则 ` m ` a ` F ` 。
即，牛顿运动定律在s系与s`系均成立。因此，在 某一个惯性参照系的内部，我们用任何力学实验都不 可能测出本系统相对于其他惯性系的匀速直线运动的 速度。
3
由此可得出结论： （经典力学的相对性原理）
“相对一个惯性参照系作匀速直线运动的一切参 照系也都是惯性参照系”。或者说，“在相互作匀速 直线运动的一切惯性系中，物体所遵从的力学规律完 全相同。”
二、伽利略坐标变换
我们要描述某一个事件，应该说出事件发生的地点 和时间。这就需要用四个量来描述，既用x、y、z来描 述事件发生的位置，用t来描述事件发生的时刻。
狭义相对论基础PPT课件
现代物理学讲座
狭义相对论基础
狭义相对论基础
special relativity 狭义相对论的基本假设 同时性的相对性 运动时钟变慢和长度缩短 洛仑兹(时空和速度)变换 相对论性质量 相对论性动量和能量
数学上很 容易，观 念上不易 理解
Galileo
Newton
Maxwell
Lord Kelvin (William Thomson)(1824-1907)
即
m
d
u m
d
(u v)
dt
dt
m
d
u
dt
F m d dt2r2 , F md d2r2 t
FF
这说明牛顿力学中的运动方程在伽利略变换下基 本方程保持形式不变。
如：动量守恒定律
Sm 1 v 1 m 2 v 2 m 1 v 1 0 m 2 v 20
S
m 1 v 1 m 2 v 2 m 1 v 1 0 m 2 v 20
二、Albert Einstein 的选择
由牛顿时空观出发，已知在伽利略变换下，一 切力学规律对所有的惯性系都有相同的形式，但电 磁学却不服从伽利略相对性原理。
从逻辑上说，对同一种变换，力学规律有相同的 形式，而电磁学规律的形式却不相同，这是不可思 义的。这个矛盾的存在有两种可能性：一种可能性 是Maxwell给出的电磁学理论并不正确，而Galilean transformation是正确的；另一种可能性是Maxwell theory 是正确的，但力学规律在高速（v→c）情况 下并不正确，Galilean transformation在高速情况 下，也不正确，应存在一种新的变换，
Albert Einstein所建立的相对论，就是在下列 思想基础之上的，即时空具有更深刻地均匀性， 自然定律在时空的四维“空间”的一组变换 Lorentz transformation下是不变的，时空中的旋 转和平移是这类变换的特殊情形。
狭义相对论基础
狭义相对论基础
special relativity 狭义相对论的基本假设 同时性的相对性 运动时钟变慢和长度缩短 洛仑兹(时空和速度)变换 相对论性质量 相对论性动量和能量
数学上很 容易，观 念上不易 理解
Galileo
Newton
Maxwell
Lord Kelvin (William Thomson)(1824-1907)
即
m
d
u m
d
(u v)
dt
dt
m
d
u
dt
F m d dt2r2 , F md d2r2 t
FF
这说明牛顿力学中的运动方程在伽利略变换下基 本方程保持形式不变。
如：动量守恒定律
Sm 1 v 1 m 2 v 2 m 1 v 1 0 m 2 v 20
S
m 1 v 1 m 2 v 2 m 1 v 1 0 m 2 v 20
二、Albert Einstein 的选择
由牛顿时空观出发，已知在伽利略变换下，一 切力学规律对所有的惯性系都有相同的形式，但电 磁学却不服从伽利略相对性原理。
从逻辑上说，对同一种变换，力学规律有相同的 形式，而电磁学规律的形式却不相同，这是不可思 义的。这个矛盾的存在有两种可能性：一种可能性 是Maxwell给出的电磁学理论并不正确，而Galilean transformation是正确的；另一种可能性是Maxwell theory 是正确的，但力学规律在高速（v→c）情况 下并不正确，Galilean transformation在高速情况 下，也不正确，应存在一种新的变换，
Albert Einstein所建立的相对论，就是在下列 思想基础之上的，即时空具有更深刻地均匀性， 自然定律在时空的四维“空间”的一组变换 Lorentz transformation下是不变的，时空中的旋 转和平移是这类变换的特殊情形。
狭义相对论力学基础课件
一个参照系可以校准所有的时钟，有统一时间基准。
狭义相对论力学基础课件
27
三. 洛仑兹变换蕴含的时空观(一)
1. 由洛仑兹变换看同时性的相对性
事件1 事件2
S
(x1,t1)
(x2 ,t2 )
两事件同时发生 t1 t2
tt2 t10
狭义相对论力学基础课件
S
( x1, t1 ) (x2 , t2 )
t t2 t1
S S
u
A M B
研究的问题
两事件发生的时间间隔
S ？
S
M 发出的闪光 光速为c
M
S？
AMBM A B 同时接收到光信号
事件1、事件2 同时发生
狭义相对论力学基础课件
33
S系中的观察者又
如何看呢？
S S
u
M 处闪光 光速也为 c
A B 随 S 运动
A M B
A 迎着光 比 B早接收到光
事件1、事件2 不同时发生 事件1先发生 M
发生在x’=－ut’处，
即 x’+ut’=0。
yS
y
S
u
x
o o
x
说明该事件的两观测值x与（ x’+ut’）必成比率， 即 x=k(x’+ut’) 。
同样地，对于在S’系中O’点于t’时刻发生的事件， 其x’=0。但在S系中观察为该事件发生在x=ut处，
即 x－ut=0 。
说明该事件的两观测值x’与（ x－ut）必成比率， 即有 x’=k’(x－ut) 。
在两个惯性系中考察同一物理事件
设惯性系S 和相对S运动的惯性系S’
t时刻，物体到达P点
O,O 重合时，t t 0计时开始。
第6章狭义相对论基础
2E
1
2
E
,
2
B
1
2B
c2 t 2
c2 t 2
对于一维的方程
2E 1 2E
0
x2 c2 t 2
若按伽利略变换,将变为
2E' x'2
1 c2
2E' t '2
2u c2
2E' x 't '
u2
2
c
2E' x'2
0
显然波动方程呈现不同的形式
经典力学的基本观点:
1.四个与参照系无关的绝对量:空间间隔、时间间隔、 质量、相互作用力.牛顿绝对时空间观;
2.在一切惯性系中， 描写力学规律的形式在 伽利略变换下， 保持不变.力学相对性原理;
3.从一惯性系S到另一惯性系S’,运动质点P的位置 和速度的变换遵从伽利略变换式.
§ 6-2狭义相对论的基本假设
x' x ut (x ut)
u2 1
c2
x ut u2
1 c2
ut ' u2
1 c2
移项可得 t' (t ux )
x (x'ut')
1 1 2
c2
从以上两式消去 x , 又有
t (t' ux')
c2
洛伦兹坐标 变换
正变换
设相对S’系静止有一光脉冲仪
Mo
d
发射光信号与接受光信号时间差 o
t' 2d
X’
c
发射与接受在同一地点
t ' 称之为固有时或本征时,常用 o
第六章狭义相对论
x y
= =
x − vt y
z t
= =
z t
§ 1.2 伽利略变换
★ 时间是绝对的：一个事件相对Σ 的时间t 与它相对于Σ的时间t是相同的；
★ 长 度 是 绝 对 的 ： 如 果 相 对 于Σ静 止 的 间 隔 具 有 长 度|r2 − r1|， 那 么 在 相 对
于Σ运功的Σ 系中，它具有相同的长度|r2 − r1|；
第一节 狭义相对论的基本原理
§ 1.1 伽利略相对性原理
★ 亚里士多德：地球是宇宙的中心；它是绝对静止的；
★ 哥白尼：太阳是宇宙的中心，地球围着太阳转；绝对空间、绝对静止；
地
很
★ 伽利略相对性原理：匀速运动的参考系（船）与静止的参考系（船）物理规律
完全相同；不存在绝对空间
★ 牛顿：力学三定律不会对一切参考系都成立，如何选择适合的参考系？
§ 1.1 伽利略相对性原理
第一节 狭义相对论的基本原理
§ 1.1 伽利略相对性原理
★ 亚里论的基本原理
§ 1.1 伽利略相对性原理
★ 亚里士多德：地球是宇宙的中心；它是绝对静止的； ★ 哥白尼：太阳是宇宙的中心，地球围着太阳转；绝对空间、绝对静止；
第六章 狭义相对论
内容提要
1 狭义相对论的基本原理 2 洛伦兹变换 3 相对论的时空理论 4 相对论理论的四维形式 5 电动力学的相对论不变性 6 相对论力学 7 电磁场中带电粒子的拉格朗日量和哈密顿量
不 及
相 的
相
间
高 观
2间 性
相 理
9下
四
24
电 电
量
能
47
系 伦
55
74
78
第五章 狭义相对论基础分解
(2) 光速不变原理与伽利略的速度合成定理针锋相对 (3) 时间和长度等的测量
• 在牛顿力学中，与参考系无关 • 在狭义相对论力学中，与参考系有关
§5-3 狭义相对论的时空观
一、同时性的相对性
以一个假想火车为例
S 地面参考系
v
S'
cc
S 假想火车
(车上放置一套装置)
A'、B' 处分别放置一光信号接收器 中点 M ' 处放置一光信号发生器
Maxwell 电磁场方程组不服从伽利略变换
c 1/ 00 2.998108 m s
迈克耳逊 - 莫雷实验的零结果
当时认为光在“以太”（ether）中以速度c传播
。设“以太”相对太阳静止。
M2
迈克耳逊 - 莫雷实验 对 (1) 光线：O M1 O
S
l2 (2)
O l1
(1)
v
M1
以太风 P
1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开 尔文勋爵作了展望新世纪的发言:
“科学的大厦已经基本完成， 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：
S S' c c
v
BM BM
事件 1 发生
A' 比 B' 早接收到光信号
A M
v
S S'
cc
事件 2
发生
1事件先于2 事件发生
AM
B
结论
沿两个惯性系相对运动方向上发生的两个事件，在其中一 个惯性系中表现为同时的，在另一个惯性系中观察，则总 是在前一个惯性系运动的后方的那一事件先发生。
• 在牛顿力学中，与参考系无关 • 在狭义相对论力学中，与参考系有关
§5-3 狭义相对论的时空观
一、同时性的相对性
以一个假想火车为例
S 地面参考系
v
S'
cc
S 假想火车
(车上放置一套装置)
A'、B' 处分别放置一光信号接收器 中点 M ' 处放置一光信号发生器
Maxwell 电磁场方程组不服从伽利略变换
c 1/ 00 2.998108 m s
迈克耳逊 - 莫雷实验的零结果
当时认为光在“以太”（ether）中以速度c传播
。设“以太”相对太阳静止。
M2
迈克耳逊 - 莫雷实验 对 (1) 光线：O M1 O
S
l2 (2)
O l1
(1)
v
M1
以太风 P
1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开 尔文勋爵作了展望新世纪的发言:
“科学的大厦已经基本完成， 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：
S S' c c
v
BM BM
事件 1 发生
A' 比 B' 早接收到光信号
A M
v
S S'
cc
事件 2
发生
1事件先于2 事件发生
AM
B
结论
沿两个惯性系相对运动方向上发生的两个事件，在其中一 个惯性系中表现为同时的，在另一个惯性系中观察，则总 是在前一个惯性系运动的后方的那一事件先发生。