2-3 相对论时空理论
2-3 相对论时空理论介绍
设 t = t ' = 0 时刻，O' 处的闪光光源发出一光信号
S
S
2h' Δ t' c 2l t c 2 ut 2 2 l h 2
S' S M'
S'
u
M'
h'
O O' S' S M' O'
h h' 2l c t 2 h' c t'
A
c
c
事件 2 发生
M
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。 讨论 (1) 同时性是相对的。 (2) 同时性的相对性是光速不变原理的直接结果。 (3) 同时性的相对性否定了各个惯性系具有统一时间的可能性， 否定了牛顿的绝对时空观。
[基本要求]
1. 了解伽利略相对性原理，了解伽利略变换、绝对时空观及牛顿力学的困难。 2. 理解爱因斯坦相对性原理及光速不变原理。 3. 了解洛伦兹变换，了解狭义相对论中同时的相对性及长度收缩和时间延缓的概 念，并能进行相关计算。 4. 理解相对论的质量与速度的关系、质量与能量的关系，并能进行相关计算。
运动时钟走的速率比静止时钟走的速率要慢。
在 S 系中观测者看来， S’中的的钟是运动的，所 以运动的钟变慢了。在 S’ 系中观测者看来， S中 的钟则变慢了。 (4) 时间延缓效应是相对的。 (5) 运动时钟变慢效应是时间本身的客观特征。 (6) 时间延缓效应显著与否决定于 因子。 时间的流逝不是绝对的，运动将改变时间的进程. （例如新陈代谢、放射性的衰变、寿命等 . ）
爱因斯坦的相对论与穿越时空
爱因斯坦的相对论与穿越时空2008-10-03 21:21相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由爱因斯坦(Albert Einstein)创立，分为狭义相对论(特殊相对论)和广义相对论(一般相对论)。
相对论的基本假设是光速不变原理，相对性原理和等效原理。
相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。
奠定了经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观条件下的物体。
相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。
相对论极大的改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“同时的相对性”，“四维时空”“弯曲空间”等全新的概念【狭义相对论】马赫和休谟的哲学对爱因斯坦影响很大。
马赫认为时间和空间的量度与物质运动有关。
时空的观念是通过经验形成的。
绝对时空无论依据什么经验也不能把握。
休谟更具体的说：空间和广延不是别的，而是按一定次序分布的可见的对象充满空间。
而时间总是又能够变化的对象的可觉察的变化而发现的。
1905年爱因斯坦指出，迈克尔逊和莫雷实验实际上说明关于“以太”的整个概念是多余的，光速是不变的。
而牛顿的绝对时空观念是错误的。
不存在绝对静止的参照物，时间测量也是随参照系不同而不同的。
他用光速不变和相对性原理提出了洛仑兹变换。
创立了狭义相对论。
狭义相对论是建立在四维时空观上的一个理论，因此要弄清相对论的内容，要先对相对论的时空观有个大体了解。
在数学上有各种多维空间，但目前为止，我们认识的物理世界只是四维，即三维空间加一维时间。
现代微观物理学提到的高维空间是另一层意思，只有数学意义，在此不做讨论。
四维时空是构成真实世界的最低维度，我们的世界恰好是四维，至于高维真实空间，至少现在我们还无法感知。
我在一个帖子上说过一个例子，一把尺子在三维空间里（不含时间）转动，其长度不变，但旋转它时，它的各坐标值均发生了变化，且坐标之间是有联系的。
四维时空的意义就是时间是第四维坐标，它与空间坐标是有联系的，也就是说时空是统一的，不可分割的整体，它们是一种“此消彼长”的关系。
相对论简介时间与空间
相对论简介时间与空间相对论是20世纪物理学的一项伟大成就，由阿尔伯特·爱因斯坦于1905年首次提出，随后在1915年进行了扩展，形成了狭义相对论和广义相对论。
相对论的核心思想打破了传统牛顿物理学中关于绝对时间和绝对空间的观念，引入了相对性原理。
这一理论不仅在物理学界引起了巨大的反响，而且在哲学、宇宙学、工程技术等领域产生了深远的影响。
本文将从相对论的基本概念出发，探讨时间与空间在相对论框架下的新理解。
狭义相对论狭义相对论于1905年正式提出，其核心内容可以归纳为以下几条重要原则：1. 相对性原理相对性原理指出，在所有惯性参考系中，物理规律是相同的。
这意味着，没有任何实验可以区分静止与均匀直线运动的参考系，也就是说，物理法则对于所有观察者都是普适的。
2. 光速不变原则另一个关键点是光速在真空中是一个恒定值，与源的运动状态无关。
无论观察者以怎样的速度运动，测得的光速总是约为299,792,458米每秒。
这一发现推翻了牛顿时代关于速度叠加的观点。
3. 时间与空间的统一狭义相对论的重要结论之一是，时间和空间并不是独立存在的，而是组成四维时空的一部分。
在高速运动下，一个体会到时间流逝速度的变化，这就是著名的“时间膨胀”现象。
4. 质能等价爱因斯坦提出了著名的质能等价关系E=mc²，这一公式表明质量和能量是等价的，因此，物质能量之间可以互相转换。
在狭义相对论成立后，我们对于自然界的基本认识发生了极大的变化，传统物理学中的许多定律都被重新审视和修正。
广义相对论十年后的1915年，爱因斯坦进一步完善了他的理论，提出了广义相对论。
这一理论不仅涵盖了狭义相对论所描述的情况，还引入了引力这一新的因素，深化了我们对于时空和物质之间关系的理解。
1. 引力场与时空曲率广义相对论提出，引力并不是一种传统意义上的力，而是由于大质量物体扭曲时空造成的效果。
质量越大的天体，其周围时空的曲率越大。
这一理论使得我们能够更加直观地理解天体之间的互相作用。
相对论---关于时空观及时空与物质关系的理论
u
ut
•P
O O x
x
x x
z
z t=0时，两者重合
点P在两坐标系中的关系:
若认为同一事件在两系中同时 刻发生:
x x ut
y
y
z z
伽利略坐标变换对时间求导
x x ut
y y z z
或
x x ut y y z z
爱因斯坦认为：物质世界的规律应该是和谐 统一的，麦克斯韦方程组应对所有惯性系成立。 在任何惯性系中光速都是各向为c，这样就自然 地解释了迈克耳孙—莫雷实验的零结果。
Albert Einstein ( 1879 – 1955 )
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 .
由洛伦兹变换:
t tb ta
tb
u c2
xb
ta
u c2
xa
u c2
( xa
xb )
0
2.在一个惯性系中即同时又同地发生的两事件呢?
x xb xa 0, t tb ta 0
则:
t
tb
t
u c2
x
1u2 / c2
v信号
x2 t2
x1 t1
c
t (1 u x) 1 u2 / c2 c2 t
t 与 t 同号
二 长度缩短
相对论时空与相对论的基本原理
相对论时空与相对论的基本原理相对论是由爱因斯坦于20世纪初提出的一种物理学理论，它对于我们理解宇宙的本质以及时间与空间的关系起到了重要的作用。
本文将简要介绍相对论时空的概念以及相对论的基本原理。
一、相对论时空的概念相对论时空是指爱因斯坦通过研究光的传播速度不变性而提出来的一种新的时空观念。
在经典力学中，时间和空间是绝对而独立的，而在相对论中，时间和空间被统一成为一个整体，即时空。
相对论时空具有以下几个重要特性：1. 相对性原理：相对论时空具有相对性原理，即物理定律在所有惯性参考系中都成立。
这意味着不论在任何匀速运动的观察者眼中，物理定律都应当保持一致。
2. 光速不变性：根据相对论时空观念，光在真空中的传播速度是恒定不变的，即和光源的相对运动状态无关。
这一观念在狭义相对论中被证实，并成为相对论最核心的概念之一。
3. 弯曲时空：大质量物体的存在会弯曲周围的时空，形成引力场。
这个概念被广泛运用在广义相对论中，解释了宏观尺度上的引力现象。
二、狭义相对论的基本原理在狭义相对论中，有两个基本原理决定了相对论的物理规律：1. 相对性原理：物理定律在所有惯性参考系中都成立。
这意味着不论在任何匀速运动的观察者眼中，物理定律都应当保持一致。
2. 光速不变性原理：光在真空中的传播速度是恒定不变的，即和光源的相对运动状态无关。
基于这两个基本原理，狭义相对论推导出了一系列重要结论，包括：1. 相对论性动力学：引入了洛伦兹变换，描述了物体在不同惯性参考系中的运动行为。
相对论性动力学中，质量随速度增加而增加，时间与空间也发生了变换。
2. 时空的膨胀：由于速度相对论恒定，时间对于不同惯性参考系而言并不是绝对一致的，存在着时间的膨胀现象。
被称为“钟慢效应”。
3. 质能等价原理：根据爱因斯坦的质能等价原理，质量和能量是可以相互转化的，质量与能量之间存在着著名的E=mc²的关系。
三、广义相对论的基本原理广义相对论进一步扩展了狭义相对论的基本原理，主要引入了引力概念和曲率时空观念。
相对论通俗解释
相对论通俗解释一、引言相对论是现代物理学中的重要理论，由爱因斯坦于20世纪初提出，并经过长期的实验证明。
相对论描述了物体在高速运动和强引力场中的行为，对于人类对于宇宙的认识具有重大意义。
二、狭义相对论2.1 光速不变原理相对论的起点是光速不变原理，即光的速度在任何参考系中都是恒定的。
这个原理颠覆了经典力学中的加法速度原理。
2.2 相对论的时空观念相对论中的时空观念与经典力学中有所不同。
相对论将时空看作统一的四维时空，时间和空间不再分离。
在相对论中，时间和空间是相互联系的，且与观察者的运动状态有关。
2.3 时间的相对性根据相对论，时间的流逝速度是相对的，与观察者的运动状态有关。
当物体以接近光速的速度运动时，时间会减缓，这被称为时间膨胀效应。
2.4 长度的相对性相对论中，物体的长度也会随着运动状态的改变而发生变化。
当物体以接近光速的速度运动时，长度会沿运动方向收缩，这被称为长度收缩效应。
三、广义相对论3.1 引力的本质广义相对论修正了牛顿力学的引力观念。
爱因斯坦认为，引力并非像牛顿所描述的那样是两个物体之间的相互作用力，而是由物体在时空中弯曲产生的。
弯曲的时空会使物体沿着曲线运动，就像在引力场中的物体一样。
3.2 弯曲时空根据广义相对论，物体的质量和能量会使时空发生弯曲。
弯曲时空会使物体的运动路径发生偏转。
这个观点在太阳系尺度上得到了验证，被称为光线偏转效应。
3.3 黑洞的形成广义相对论预言了黑洞的存在。
当某个天体质量足够大的时候，它的引力将会变得非常强大，以至于连光都无法逃离其引力。
这个区域被称为事件视界，被认为是黑洞的边界。
3.4 引力波广义相对论还预言了引力波的存在。
引力波是由于物体在时空中运动而产生的涟漪，就像水面上的波纹一样。
2015年，LIGO实验首次探测到了引力波，为广义相对论的正确性提供了强有力的证据。
四、相对论的应用4.1 GPS导航系统由于相对论的存在，地球表面与卫星之间的时间差会导致GPS导航系统的不准确。
相对论的基本原理和相对论时空观
相对论的基本原理和相对论时空观相对论是指由爱因斯坦于20世纪初提出的一种物理学理论，主要探讨了物体在高速运动和强引力环境下的行为。
相对论的基本原理可以分为两个方面：相对性原理和等效性原理。
相对性原理是指物理规律在所有参考系中都是相同的。
即无论一个物体是以静止状态观察还是以高速运动状态观察，物理定律都应该是一致的。
这个原理还表明，光在真空中的传播速度是唯一不变的，即相对于任何参考系，光速都是恒定的，约为每秒300,000公里。
等效性原理是指惯性质量和引力质量之间不存在基本差别。
惯性质量是物体抵抗变速度的能力，而引力质量是物体受到引力的强度。
等效性原理表明，所有物体都以相同的方式受到重力的影响，不论它们的质量大小如何。
基于这两个原理，相对论还提出了相对论时空观，即时间和空间是相互关联的，并会随着物体的运动状态而发生改变。
相对论时空观主要包括以下几个方面：1.时间相对性：相对论中的时间观念与经典物理学中的时间观念有所不同。
根据相对论，运动的物体的时间会相对于静止的物体流逝得更慢。
这意味着当一个物体以接近光速运动时，它的时间流逝会减慢，而静止的观测者则认为时间在正常速度流逝。
2.空间相对性：相对论还指出，空间长度也会随着观测者的运动状态而发生变化。
当一个物体以接近光速运动时，它在运动方向上的长度会缩短，这被称为“长度收缩效应”。
这意味着一个运动的物体在观察者眼中的长度会比实际长度要短。
3.光速不变性：根据相对论，光速对于所有观测者都是恒定不变的，不论观测者自己是否在运动。
这就意味着当一个观测者以高速运动时，他对于光的观测所经历的时间和空间扭曲会与他自身的运动无关，保持不变。
4.弯曲时空：相对论还指出，引力会曲折时空，即质量会使周围的空间产生弯曲。
这导致物体在引力场中的运动轨迹发生偏离，就像在一个有弯曲的空间中运动一样。
相对论的这些基本原理和相对论时空观颠覆了经典物理学的观念，为物理学的进一步发展提供了重要的思想和框架。
时间与空间的相对性理论
时间与空间的相对性理论时间与空间的相对性理论是由爱因斯坦于20世纪初提出的重要理论，它极大地改变了我们对时间和空间的认知。
这一理论的核心思想是：时间和空间并非绝对存在，而是与观察者的参考系密切相关，且受到物体质量和速度的影响。
根据相对性理论，时间和空间不再是独立的概念，而是构成一个整体。
它们相互影响并交织在一起，形成了时空的统一。
换言之，时间和空间在各种参考系中都具有不同的表现形式。
首先，我们来探讨时间的相对性。
根据狭义相对论的观点，时间并非绝对流逝，而是相对于观察者的移动速度而变化的。
当一个物体以接近光速的速度运动时，其所经历的时间会减慢，而在静止参考系中的时间相对稳定。
这种被称为时间膨胀的现象是由于物体的速度越快，其质量越大，所以时间会相对变慢。
此外，空间的相对性也是相对性理论的重要内容。
根据相对性理论，空间并非是一个静态的框架，而是根据观察者的参考系而变化的。
当观察者运动时，空间会出现收缩的现象。
这被称为长度收缩，即物体沿着运动方向变短。
当物体的速度接近光速时，空间的收缩效应就会显著。
时间和空间的相对性理论在科学和现实生活中都有重要意义。
首先，它对电磁波的传播速度提供了解释。
根据相对性理论，电磁波的传播速度是恒定不变的，与光速相等。
只有通过对时间和空间的相对性进行考虑，才能解释电磁波穿过空间的特点。
其次，相对性理论在导航系统中也起到了重要作用。
在卫星导航系统中，通过考虑卫星与接收器之间的相对运动，可以修正位置测量中的误差。
这些修正是通过计算卫星和接收器之间的相对时间差和空间收缩来实现的。
此外，时间和空间的相对性理论对宇航员在太空中的时间流逝也有重要影响。
由于太空船的速度相对较快，宇航员在太空中的时间会比地球上的时间慢。
这意味着宇航员在宇宙中旅行一段时间后，与地球上的时间进行对比，他们的时间会比地球上的时间少。
这是因为宇航员的速度相对较快，他们所处的时间参考系与地球上的时间参考系不同。
总结起来，时间和空间的相对性理论改变了我们对时间和空间的观念。
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
相对论的基本原理和相对论时空观
相对论的基本原理和相对论时空观相对论是一种物理学理论，由阿尔伯特·爱因斯坦在20世纪早期发展而来。
它研究的是运动物体之间的相对关系，而不是单个物体本身的性质。
相对论提出了两个基本原理，即狭义相对论和广义相对论，以及相对论时空观。
狭义相对论是相对论的最初版本，它基于两个基本原理：相对性原理和光速不变原理。
相对性原理认为自然界的物理定律应该在不同惯性参考系中以相同的方式运行。
也就是说，实验结果不取决于观测者的运动状态。
这个原理挑战了牛顿力学的绝对时空观，提出了一个新的时空观：时空是相对的，取决于观察者的观测框架。
光速不变原理指出光在真空中的传播速度是恒定不变的，不受观测者的运动状态的影响。
这个原理对于当时的人们来说是非常奇特和新颖的，因为按照经典力学的观点，运动状态应该会影响光的传播速度。
爱因斯坦通过对光速不变原理的研究，提出了一种全新的时空观：光速不仅是恒定的，而且是运动绝对极限。
狭义相对论还提出了另一个重要的概念，即相对论效应。
由于运动速度接近光速时，时间和空间会发生相对论性的变化。
1.长度收缩：当物体以接近光速的速度运动时，会出现长度收缩的现象。
这意味着物体的长度在静止参考系中是不同的。
这是因为光的传播速度是恒定不变的，当物体运动时，光交汇在观察者的位置时，时间会相对于静止参考系变慢，导致物体的长度在静止参考系中看起来变短。
2.时间膨胀：当物体以接近光速的速度运动时，时间会相对于静止参考系变慢。
这意味着在一个运动的物体上，时间流逝的速度较慢。
这个相对论效应被称为时间膨胀。
3.同步效应：在相对论中，同步不再是绝对的。
当物体以不同的速度移动时，它们的时间同步会因为相对速度的不同而变得不同。
这一效应在卫星导航系统中有很大的应用。
广义相对论是相对论的扩展版本，它基于两个基本原理：等效原理和广义相对性原理。
等效原理认为惯性质量和重力质量是等效的，即受到相同的外力时，物体的运动是相同的。
这个原理提供了解释为什么物体会受到重力的吸引的机制。
高中物理-导必修二经典时空观与相对论时空观
厢前后两壁是同时被照亮的,地面上的人也应认为前后壁是被同时
照亮的,但有了光速不变原理时,情况就不一样了,当火车速度较大
时,地面上的人将认为光先到达后壁,而后到达前壁,这就是“同时的
相对性”.
时间进程对于同一个参考系(惯性系)是没有变化的,而从另一个
的时间,地面上的观察者与运动的车上观察者的测量结果是不同的,
运动的车上观察者测量的时间间隔短些.
上面式子具有普遍意义,当从地面观察以速度v前进的火车时,车
上的时间进程变慢了,不仅时间变慢了,物理、化学过程和生命的
过程都变慢了,但车上的人都没有这种感觉,他们反而认为地面上
的时间进程变慢了.
自主预习
一
种观测效应.
自主预习
一
二
知识精要
合作探究
典题例解
迁移应用
一、经典时空观与相对论时空观的主要区别
1.实基础不同
我们通过生活经验,通过对周围世界的观察最容易接受的是经典
时空观(又叫绝对时空观),因为经典时空观是以v≪c的低速运动下
的实验为基础建立的.而相对论时空观建立在光速不变的假设上,
在高速运动的情形中,相对论效应才会明显,由于缺少高速运动中
自主预习
一
二
知识精要
合作探究
典题例解
迁移应用
由于两个参考系相对速度很大,从一个参考系看另一个参考系里
的长度,顺着速度方向的长度会变短,这是严格推算出来的.这可以
从列车高速对开时笛声频率发生变化受到启发,也可以从速度较快
的汽车上看到外面的树木感到似乎有某种变化等理解长度变短.这
里要强调说明在垂直于速度方向的长度基本不变,这一点在学习时
相对论时空观知识点总结
相对论时空观知识点总结相对论时空观是现代物理学中的重要理论之一，由爱因斯坦提出，它彻底改变了我们对时间和空间的传统认知。
下面我们来详细总结一下相对论时空观的主要知识点。
一、狭义相对论时空观1、相对性原理狭义相对性原理指出，物理规律在所有惯性参考系中都是相同的。
这意味着不存在一个绝对静止的参考系，所有的惯性参考系都是平等的。
2、光速不变原理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。
无论光源和观察者的相对运动状态如何，观察者所测量到的光速始终保持不变。
3、时间膨胀当一个物体相对于观察者以高速运动时，观察者会发现运动物体上的时间流逝变慢了。
这种时间膨胀效应可以用时间膨胀公式来描述：＼＼tau ＝＼frac{t}｛＼sqrt{1 ＼frac{v^2}｛c^2}｝｝＼其中，＼（＼tau\）是运动物体上的时间间隔（固有时），＼（t\）是观察者测量到的时间间隔，＼（v\）是物体的运动速度，＼（c\）是真空中的光速。
4、长度收缩同样，当物体以高速运动时，其长度在运动方向上会发生收缩。
长度收缩公式为：＼L ＝ L_0 ＼sqrt{1 ＼frac{v^2}｛c^2}｝＼其中，＼（L\）是观察者测量到的运动物体的长度，＼（L_0\）是物体静止时的长度。
5、同时的相对性在一个惯性参考系中同时发生的两个事件，在另一个惯性参考系中可能不是同时发生的。
这取决于观察者的相对运动状态。
二、广义相对论时空观1、等效原理等效原理是广义相对论的基本原理之一。
它指出，在局部范围内，引力和加速度是等效的。
也就是说，一个在引力场中自由下落的参考系与一个没有引力但具有加速度的参考系是无法区分的。
2、时空弯曲广义相对论认为，物质和能量会使时空发生弯曲。
大质量的物体周围会形成时空的“凹陷”，其他物体在这个弯曲的时空中运动，就会表现出受到引力的作用。
3、引力红移当光线从一个引力场较强的区域传播到引力场较弱的区域时，其频率会降低，波长会变长，这种现象称为引力红移。
古诗词中的相对论和时空理论
古诗词中的相对论和时空理论古诗词不仅是中华文化的瑰宝，也是我们了解古人思想和哲学观的窗口。
在许多古诗词中，我们可以发现一些意味深长、引人思考的句子，其中包含了相对论和时空理论的种种影子。
本文将探讨古诗词中这些相对论和时空理论的体现，帮助我们更好地理解其中蕴含的智慧。
1. 相对论的体现相对论是由爱因斯坦提出的一种物理理论，它描述了时间、空间和物质之间的相互关系。
尽管古代文人并没有像爱因斯坦那样明确地提出相对论，但他们对于相对性的思考在古诗词中得到了体现。
古人常常通过自然景物的变化来表达时间的相对性，比如王之涣的《登鹳雀楼》中就有"白日依山尽，黄河入海流"的句子。
这里的山尽和河入海流都表达了时间的流转和相对性，太阳的升起和落下，大河的奔流都是相对性的体现。
这种将自然景物与时间相对性相结合的手法，为诗词增添了深远的意义。
另外，古人还通过人事物的相对性来思考时空的流转。
唐代诗人白居易的《赋得古原草送别》中写道："离离原上草，一岁一枯荣。
野火烧不尽，春风吹又生。
"这里的一岁一枯荣表达了时间的相对性，野火烧不尽和春风吹又生则揭示了物质的相对性。
正是通过这些对相对性的思考，古人将时间和空间的变化融入了诗词之中。
2. 时空理论的体现时空理论是描述时间和空间之间关系的理论，它在古诗词中也有所体现。
古人通过描述风、云、水、山等自然景物的变化，将时空的流转融入了诗词表达之中。
比如唐代诗人杜牧的《秋夜将晓出篱门迎凉有感》中写道："移船相近邀相见，添酒回灯重开宴。
千客万宾尽欢颜，对空谈笑无还养。
"这里的移船相近和对空谈笑无还养描绘了人们的相对位置和交流，也体现了时空的流转和交织。
古人通过这种描绘，将时空变化的感触融入了诗词之中。
另外，古人还通过描绘自然景物的变化，表达了时空的流转和变化。
比如唐代诗人王之涣的《登鹳雀楼》中的"白云千载空悠悠，青春万岁困腰金"以及宋代词人苏轼的《江城子·十年生死两茫茫》中的"千里孤坟，无处话凄凉"都表达了时间和空间的延续和相对性。
3-2 相对论时空观
o o' y
d
12
的两个事件之间的时间间隔。
9 6 3 x ' Δτ0 = t '2 − t '1 = 2d c
B
12
x
s=
d 2 + L2 =
d
2
+
⎛ ⎜⎝
vΔt 2
⎞2 ⎟⎠
ss
x1 L
o 12
93 6
9
d
3 6
x2 12 x
93 6
cΔt = 2s = 2 求解得：Δ t =
d
2
+
⎛ ⎜⎝
vΔt 2
y'
解：设太阳系S系，地球为S' 系。
在S系看星光的速度：
ux=0，uy=C，uz=0
在S' 系看星光的速度：
o
u'α u
v
X'
o'
X
u′x
=
ux −v
1
−
v c2
u
x
= −v
( ) ( ) u′y
= uy 1−cv2
ux
1−
v c
2
=c
1−
v c
2
( ) u′z
=
1−
uz
v c2
ux
1−
v c
2
=0
= l0 1− β 2 =
尺缩效应！
t2
l0 /
γ
3-2 相对论时空观
• 试由时间延缓推 出长度收缩
地球观察者：
v = l0 Δt
飞船观察者：
v= l Δt0
由此得到：
l = l0
相对论的诞生、时间和空间的相对性 课件
c
速度为 v,则 l、l0、v 的关系是:l=l0 1-( )2 。
3.时间间隔的相对性
(1)经典的时空观:某两个事件,在不同的惯性系中观察,它们的时间
间隔总是相同的。
(2)相对论的时空观:某两个事件,在不同的惯性参考系中观察,它们
的时间间隔是不同的。
设 Δτ 表示相对事件发生在静止的惯性系中观测的时间间隔,Δt 表
个事件发生地点连线飞行的人来说,哪个事件先发生?
答案:B 事件先发生
解析:可以设想,在事件 A 发生时 A 处发出一个闪光,事件 B 发生
时 B 处发出一个闪光。“两闪光相遇”作为一个事件,发生在线段 AB 的
中点,这在不同的参考系中看都是一样的。“相遇在中点”这个现象在以
地面为参考系中很容易解释:两个闪光传播的速度又一样,当然在线段
的。
(2)两个基本假设
狭义相对
性原理
光速不
变原理
在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的
真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的
预习交流 1
伽利略相对性原理在电磁学领域遇到了什么困难?
答案:按照伽利略原理,光在不同的参考系中速度不同,其速度可以
等于 c,也可以大于或小于 c,关键看初始条件怎样,但根据麦克斯韦的电
解析:火箭上的人相对火箭永远是静止的,无论火箭速度是多少,火
箭上的人测得的火箭长与静止时测得的长均是 l'=30 m,而火箭下的观
v
c
察者看火箭时有相对速度 v,则他的测量要缩短,即 l<l',所以 l=l' 1-( )2 。
当 v=3×103m/s 时,l=30× 1-10-10 m。
c
电动力学课程教学大纲
《电动力学》课程教学大纲（Electrodynamics ）适用专业：物理学专业理论物理方向本科生课程学时：68学时课程学分：4学分一、课程的性质与任务本课程性质：本课程是物理学专业理论物理方向的专业基础课本课程教学目的和任务：通过本课程的学习，使学生系统地掌握电磁场的基本规律及其有关的应用，并了解狭义相对论建立的历史背景，掌握狭义相对论的基本原理、时空理论、电动力学的四维协变形式以及相对论力学的有关内容。
获得在本门课程领域内分析和处理一些基本问题的初步能力；为学习后续课程和独立解决实际问题打下必要的基础。
二、课程的内容与基本要求第0章矢量分析基础内容：1、绪言2、矢量分析基础要求：理解直角、圆柱、圆球坐标系中的单位矢量、长度元、面积元及体积元概念；掌握标量函数的梯度、矢量函数的散度和旋度概念及其基本运算。
第1章电磁现象的普遍规律内容：1、电荷和电场2、电流和磁场3、麦克斯韦方程组4、介质的电磁性质5、电磁场边值关系6、电磁场的能量和能流要求：掌握基本实验定律：库仑定律、毕奥－萨伐尔定律、电磁感应定律；熟练掌握麦克斯韦方程组，洛伦兹力公式；理解介质存在时电磁场和介质内部的电荷电流相互作用，掌握介质中的麦克斯韦方程组；掌握电磁场边值关系；理解场和电荷系统的能量守恒定律的一般形式，掌握电磁场能量密度和能流密度表示式。
第二章静电场内容：1、静电场的标势及其微分方程2、唯一性定理3、拉普拉斯方程分离变量法4、镜象法5、电多极矩要求：熟练掌握静电场的标势及其微分方程；理解唯一性定理；掌握拉普拉斯方程，会用分离变量法求解一些典型的静电场问题；掌握镜象法；掌握电势的多极展开, 会计算电多极矩。
第三章静磁场内容：1、矢势及其微分方程2、磁标势3、磁多极矩4、阿哈罗诺夫-玻姆效应5、超导体的电磁性质要求：熟练掌握磁场的矢势法，矢势的微分方程；掌握磁标势法，会解决一些典型的静磁场问题；理解矢势的多极展开；了解阿哈罗诺夫-玻姆效应；了解超导体的电磁性质。
相对论 爱因斯坦提出的关于时空和引力的基本理论
相对论爱因斯坦提出的关于时空和引力的基本理论相对论（英语：theory of relativity）是关于时空和引力的理论，主要由爱因斯坦创立，依其研究对象的不同可分为狭义相对论和广义相对论。
相对论和量子力学的提出给物理学带来了革命性的变化，它们共同奠定了现代物理学的基础。
相对论极大地改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“同时的相对性”、“四维时空”、“弯曲时空”等全新的概念。
不过近年来，人们对于物理理论的分类有了一种新的认识——以其理论是否是决定论的来划分经典与非经典的物理学，即“非经典的=量子的”。
在这个意义下，相对论仍然是一种经典的理论。
狭义与广义相对论的分别传统上，在爱因斯坦刚刚提出相对论的初期，人们以所讨论的问题是否涉及非惯性参考系来作为狭义与广义相对论分类的标志。
随着相对论理论的发展，这种分类方法越来越显出其缺点——参考系是跟观察者有关的，以这样一个相对的物理对象来划分物理理论，被认为不能反映问题的本质。
目前一般认为，狭义与广义相对论的区别在于所讨论的问题是否涉及引力（弯曲时空），即狭义相对论只涉及那些没有引力作用或者引力作用可以忽略的问题，而广义相对论则是讨论有引力作用时的物理学。
用相对论的语言来说，就是狭义相对论的背景时空是平直的，即四维平凡流型配以闵氏度规，其曲率张量为零，又称闵氏时空；而广义相对论的背景时空则是弯曲的，其曲率张量不为零。
狭义相对论爱因斯坦在他1905年的论文《论动体的电动力学》中介绍了其狭义相对论。
狭义相对论建立在如下的两个基本公设上：•狭义相对性原理(狭义协变原理):所有惯性参考系的重量相等，即物理定律的形式在任何惯性参考系中都是一样的。
这意味着，对于一个仍在实验室中的观察者和一个相对于实验室高速匀速运动的电子，物理定律是一样的。
•光速不变原理：真空中的光速在任何参考系下是恒定不变的，这用几何语言可以表述为光子在时空中的世界线总是类光的。
也正是由于光子有这样的实验性质，在国际单位制中使用了“光在真空中1/299,792,458秒内所走过的距离”来定义长度单位“米”（米）。
相对论与时空理论
相对论与时空理论相对论与时空理论是现代物理学中的两个重要概念。
它们的提出和发展不仅深刻地改变了我们对宇宙的认识，还推动了科学技术的发展。
本文将分别介绍相对论和时空理论的基本概念、背景以及其对科学和人类社会带来的影响。
相对论是由阿尔伯特·爱因斯坦在20世纪初提出的，主要有狭义相对论和广义相对论两个分支。
狭义相对论是一种描述高速运动物体的物理学理论，它在描述光速不变、时间和空间相对性的基础上，建立了相对论的基本框架。
广义相对论在狭义相对论的基础上，引入引力场的概念，提出了曲率时空的理论。
这一理论完整地描述了引力的本质，并成功解释了以前无法解释的现象，如黑洞、宇宙的膨胀以及引力波的存在。
时空理论是建立在相对论基础之上的一种关于时空结构的理论。
根据相对论的观点，时空不再是一个静态、绝对的概念，而是具有弹性、弯曲的特性。
时空曲率是由物质和能量分布引起的，而物体的运动又会受到时空的弯曲影响。
这种弯曲效应在大质量物体附近会更加明显，可以解释为什么行星围绕太阳运动，为了描述这种弯曲，在时空理论中提出了引力场概念。
时空理论不仅深刻地影响了天体物理学和宇宙学的发展，还对量子力学和高能物理学等领域产生了重要影响。
相对论和时空理论的提出对科学和人类社会带来了深远的影响。
首先，它们推动了科学技术的发展。
相对论理论的建立奠定了现代物理学的基础，对现代科学理论的发展做出了重要贡献。
同时，狭义相对论的特殊相对论在实际应用中也起到了重要作用，如GPS导航系统的设计和运行就需要考虑时间的相对性。
时空理论的提出也为黑洞物理学、宇宙学的研究提供了重要的理论框架，推动了相关科学研究的发展。
其次，相对论和时空理论改变了我们对宇宙的认识。
它们提出了关于时空结构和宇宙起源的全新观点，使我们对宇宙的起源、演化和结构有了更深刻的理解。
广义相对论的引力理论不仅解释了黑洞的存在和特性，也为宇宙大爆炸理论提供了基础，阐明了宇宙起源的过程。
这些理论不仅拓宽了人类对宇宙的认知边界，也激励着科学家们继续深入研究宇宙的奥秘。
经典时空观与相对论时空观
第二节 经典时空观与相对论时空观
【例题】A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上， B、C分别放在两个火箭上，以速度vB和vC朝同一方向飞行， vB<vC，地面上的观察者认为哪个时钟走得最慢？哪个走得最 快？
【答案】C时钟走得最慢，A走得最快。
1-75
6
第二节 经典时空观与相对论时空观
【例题】一列火车以速度v相对地面运动。如果地面上的人 测得：某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁，那
1-75
1
第二节 经典时空观与相对论时空观
二.相对论时空观
1.狭义相对论的理论前提 ①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。 ②光速不变原理 ——不管在哪个惯性系中，测得的真空中的光速都相同。
2.狭义相对论的基本结论 ①“同时”的相对性 ②运动的时钟变慢 ③运动的尺子缩短
④物体质量随速度的增大而增大。
么按照火车上人的测量，闪光先到达前壁还是后壁？火车 上的人怎样解释自己的测量结果？
【解答】
火车上的人测得：闪光先到达前壁。
如图，由于地面人测得闪光同时
到达前后两壁，而在光向前后两壁传
播的过程中，火车要相对于地面向前
运动一段距离，所以光源发光的位置
【注意】只有高速运动时，以上1-75效应才明显。
2
第二节 经典时空观与相对论时空观
三.两种时空观的对比较来自经典时空观相对论时空观
同时的绝对性
同时的相对性
主要 时间间隔的绝对性 结论 空间距离的绝对性
运动的时钟变慢 运动的尺子变短
质量不变
质量随速度的增大而增大
主要 内容
时间和空间彼此独立、互 时间和空间相互关联，质
第二节 经典时空观与相对论时空观
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
四. 时序 因果律和相互作用的最大传播速度
t2 t1 u x2 x1 c 2 t' t ' t '
2 1
1 2
S
假设
t 0
事件1先与事件2发生
S
t' 0
1. 两独立事件间的时序
u x2 x1 c 2 t2 t1 u x2 x1 c t2 t1
0
讨论 (1) 当v << c 时，
~ 1, 0
(2) 时间延缓效应 在 S' 系中测得发生在同一地点的两个事件之间的时间间 隔 t'，在 S 系中观测者看来，这两个事件为异地事件， 其之间的时间间隔 t 总是比 t' 要大。
在不同惯性系中测量给定两事件之间的时间间隔，测 得的结果以原时最短。
一 同时的相对性
1、同时同地事件 结论：同时同地两事件，在任何惯性系中仍是同时同地事件 2、同地不时同事件 设 结论：同地不同时两事件， 在其他惯性系中一般为不同地不 同时事件，但时间顺序不会颠倒，即因果律不变。 3、同时不同地事件 若 若 结论：同时不同地两事件，在其他惯性系中一般为不同时、不 同地事件 。 同时的相对性：不同的惯性系时间不再统一，否定了绝对时空
固有长度 （又称原长）
在同一时刻 测量长度 结论:运动尺子长度沿运 动方向收缩。
例如：一汽车 若速度
若速度
讨论
① 在不同惯性系中测量同一尺长，以原长为最长。 ② 长度收缩效应是相对的。 若尺子放在 系中， ③ 该效应是时空属性之一，与尺 子结构无关。 ④ 当v<< c 时, 退化为经典结果。 固有长度 （proper length）
二. 时间延缓 time dilation
在S' 系的 O' 处放置一闪光光源和一信号接收器，在竖直 方向距离 O' 点 h' 的位置处放置一平面反射镜 M' 事件1 事件2 O' 处的闪光光源 发出一光信号 O' 处的接收器接 收到该光信号
S'
u
M'
S
h'
O' O
研究的问题是
在S、S' 系中，两事件发生的时间间隔之间的关系 原时: 在某惯性系中，同一地点先后 即 t t' (原时) 发生的两个事件之间的时间间隔
信号传播是一个物理过程，传输时必然伴随能量。因此只要能 量传输的速度不超过 C，则因果关系就不会倒置。
例 北京和上海相距 1000 km，北京站的甲火车先于上海站的乙 火车 1.0×10 3 s 发车。现有一艘飞船沿从北京到上海的方 向从高空掠过，速率恒为 u = 0.6 c 。 求 宇航员参考系中测得的甲乙两列火车发车的时间间隔，哪 一列先开? 解 取地面为 S 系，和飞船一起运动的参考系为 S' 系，北京站 为坐标原点，北京至上海方 y u S' 向为 x 轴正方向，依题意有 S
运动时钟走的速率比静止时钟走的速率要慢。
在 S 系中观测者看来， S’中的的钟是运动的，所 以运动的钟变慢了。在 S’ 系中观测者看来， S中 的钟则变慢了。 (4) 时间延缓效应是相对的。 (5) 运动时钟变慢效应是时间本身的客观特征。 (6) 时间延缓效应显著与否决定于 因子。 时间的流逝不是绝对的，运动将改变时间的进程. （例如新陈代谢、放射性的衰变、寿命等 . ）
d u 0
解 对实验室中的观察者来说，运动的 介子的寿命 为
τ0 τ 1 β
2
2 108 7 1 . 005 10 s 2 1 0.98
因此， 介子衰变前在实验室中通过的距离 d ' 为
d' u τ 0.98 c 1.005 107 29.5m
A' 、B' 同时接收到光信号
1、2 两事件同时发生
S 闪光发生在M 处
光速仍为 c 而这时， A' 、B' 处的 接收器随 S ' 运动。
S S'
u
c
c
M S S'
AM A'M BM BM
事件 1 发生
c
c
u
A S S'
u
M
A' 比 B' 早接收到光信号 1事件先于2 事运动时，结果有无变化？ 若运动方向与长度方向垂直时，结果又如何？
(3) 长度收缩效应显著与否决定于 因子。 (4) 长度收缩效应是相对的。 (5) 长度收缩效应是同时性相对性的直接结果。
三 长度收缩 ( length contraction ) 根据经典理论： 根据相对论理论：
二 时间延缓（time dilation）
根据经典理论： 根据相对论理论： ——固有时（原时）
因相对观察者运动的钟 比静止的钟走得慢，该 效应又称运动时钟减慢 效应。
介子是一种不稳定的粒子，从它产生到它衰变 例 为 介子经历的时间即为它的寿命，已测得静 止 介子的平均寿命 0 = 2 108s. 某加速器产 生的 介子以速率 u = 0.98 c 相对实验室运动。 求 介子衰变前在实验室中通过的平均距离。
子寿命问题 不稳定, 固有寿命：2*10-6 s
大气层
电子 中微子 中微子 V = 2.994*108 m/s 不可能到达地面！！
S vt (2.994 108 m / s ) (2 10 6 s ) 600m
1936,安德森在宇宙射线中发现了子 子可以到达地面！！ 用钟慢效应来解释,μ子相对地球是运动的，在地球上的观察者 看来，运动寿命大于固有寿命，
?
u
S'
u
M'
h
2
l
O' O O'
l
u t
ct' ct ut
2 2
t' t ut c
2 2
2
t' t 2 1 u c
记： 0 t'
t
0
u c
1
2
1 2 1
粒子寿命内，S 系运动距离 而 S' 系测量宇宙线离地面 在该时间内粒子运动的距离 在衰变前可到达地面。 在衰变前，粒子可与地球相遇。
洛伦兹正变换
小结：1 同时性的相对性 —— 否定绝对时空观 2 运动的长度收缩 3 运动的时间延缓
l l0 1
2
t / 1 2
注意原长 和原时的 确定。
[基本要求]
1. 了解伽利略相对性原理，了解伽利略变换、绝对时空观及牛顿力学的困难。 2. 理解爱因斯坦相对性原理及光速不变原理。 3. 了解洛伦兹变换，了解狭义相对论中同时的相对性及长度收缩和时间延缓的概 念，并能进行相关计算。 4. 理解相对论的质量与速度的关系、质量与能量的关系，并能进行相关计算。
S
S'
u
O'
A
B
x1
S'
事件1
O S
u
O'
事件2
A
x1
u t
B
x2
O
2. 长度收缩
S l x2 x1 uΔ t
两事件同地发 生, t 为原时
S S' u O S u O O' S'
事件1
A
B
x1
事件2
S
l0 uΔ t'
Δt 1 2
A
O'
B
⑤ 长度收缩是观测结果，但用眼
看，物体并非一定变扁，看到 的也不是一个扁形的世界。
《物理世界奇遇记》伽莫夫 Mr. Tompkins in Paperback
例 子是1936年由安德森（C. D. Anderson）等人在宇宙线 中发现的。它可自发的衰变为一个电子和两个中微子。 自发衰 变的平均寿命 ，当高能宇宙射线质子进入 地球上层大气中时，会形成丰富的 子。设来自太空的宇宙线 在离地面 高空产生的 子，可否在衰变前到达地面？ 子相对于地球的运动速率为 已知 时间延缓法 S' 动，S 静 长度缩短法 S' 静，S 动
第二章
狭义相对论
§ 2.1 历史背景及重要实验基础 § 2.2 狭义相对论原理 洛伦兹变换 § 2.3 相对论时空理论 § 2.4 相对论理论的四维形式 § 2.5 电动力学的相对不变性 § 2.6 相对论力学
§2.3 相对论时空理论
一. 同时性的相对性
relativity of simultaneity
什么是长度？
length contraction ）
1：物体相对观察者静止 用尺子测量的就是长度。
B
2：物体相对观察者运动
A
同时记录物体两个端点之 间的距离。 同时性是相对的长度也 是相对的！
物体两端点之间的距离
三. 长度收缩
length contraction
1. 运动长度的测量
S'
u
S l0 x2' x1' uΔ t'
A
c
c
事件 2 发生
M
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。 讨论 (1) 同时性是相对的。 (2) 同时性的相对性是光速不变原理的直接结果。 (3) 同时性的相对性否定了各个惯性系具有统一时间的可能性， 否定了牛顿的绝对时空观。
x1 t1
x2 x t2