狭义相对论基础13PPT课件
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大学物理《狭义相对论基础》PPT课件
第10章 狭义相对论基础 10章
将整个装置转90° 此时,两光线正好互换, 将整个装置转 °,此时,两光线正好互换,所需时间 差: 2
Lu t′ = t1 t2 ≈ 3 c 2 Lu 光 程 差: δ ′ = c t′ ≈ c2 2 2Lu 转动前后总的光程差: 转动前后总的光程差: δ = δ δ ′ ≈ 2Lu 0 2 c 2Lu2 转动前后条纹移动数: 转动前后条纹移动数: N = δ0 / λ ≈ λc2
逆 变 换
u2 1 2 c y = y′ z = z′
x=
u t′ + 2 x′ c t= u2 1 2 c
哈尔滨工程大学理学院
伽利略变换 洛仑兹变换
第10章 狭义相对论基础 10章
2
ct2 2 ut2 2 2 即( : ) = L +( ) 2 2
2L c u
2 2
∴ t2 =
2L u2 1 = ( 2) 2 1 c c
Lu2 两光线的时间差: 两光线的时间差: t = t t ≈ 1 2 c3 Lu2 光程差: 光程差: δ = c t ≈ c2
哈尔滨工程大学理学院
伽利略变换 洛仑兹变换
伽利略变换 洛仑兹变换
第10章 狭义相对论基础 10章
第10章 狭义相对论基础 10章
爱因斯坦( 爱因斯坦(Albert Einstein, , 1879—1955), 世纪最伟大的物理 ),20世纪最伟大的物理 — ), 学家,先后于1905年和 年和1915年创立了 学家,先后于 年和 年创立了 狭义相对论和广义相对论.他于1905 狭义相对论和广义相对论.他于 年提出了光量子假设,为此于1921年 年提出了光量子假设,为此于 年 获得诺贝尔物理学奖. 获得诺贝尔物理学奖.他还在量子理 论方面具有很多重要的贡献. 论方面具有很多重要的贡献. 爱因斯坦的哲学观念: 爱因斯坦的哲学观念:自 然界应当是和谐而简单的. 然界应当是和谐而简单的. 理论特色: 理论特色:出于简单而归 于深奥. 于深奥.
狭义相对论讲义课件
光速不变原理在现代物理学中有着广泛的应用，如量子力学 、广义相对论等。同时，它也是现代通信技术、激光技术等 领域的基础之一。
04
狭义相对论的时空观
同时性的相对性
01
同时性的相对性是狭义相对论 中的一个基本概念，指的是观 察者在不同参考系中观察到的 事件发生顺序可能会不同。
02
在相对论中，两个事件在不同 的参考系中同时发生，并不意 味着它们在所有参考系中都是 同时发生的。
狭义相对论的基本原理
相对性原理
物理规律在所有惯性参考系中形 式都保持不变。
光速不变原理
光在真空中的速度在所有惯性参 考系中都是相同的，约为每秒 299,792,458米。
02
洛伦兹变换
洛伦兹变换的定义
洛伦兹变换是用来描述不同惯性参考系之间坐 标和时间的变换。
在狭义相对论中，所有惯性参考系都是等价的 ，因此可以通过洛伦兹变换将一个惯性参考系 中的事件变换到另一个惯性参考系中。
3
通过洛伦兹变换，我们可以更好地理解狭义相对 论中的基本原理和概念，从而更深入地了解这个 理论。
03
光速不变原理
光速不变原理的表述
光速不变原理是狭义相对论的基本假设之一，它指出在任何惯性参考系中，真空 中光的传播速度都是恒定不变的，约为每秒299,792,458米。
光速不变原理可以表述为：无论观察者的运动状态如何，光的速度在真空中总是 相同的。
狭义相对论的质量和能量 质量与能量的关系
质量和能量是等价的：在狭义相对论中，质量和能量被视 为同一事物的两个方面，它们之间可以相互转换。
核能释放：核反应过程中，原子核中的质量会转化为能量 释放出来。
质能方程E=mc²：该方程表达了质量和能量之间的关系 ，其中E代表能量，m代表质量，c代表光速。
04
狭义相对论的时空观
同时性的相对性
01
同时性的相对性是狭义相对论 中的一个基本概念，指的是观 察者在不同参考系中观察到的 事件发生顺序可能会不同。
02
在相对论中，两个事件在不同 的参考系中同时发生，并不意 味着它们在所有参考系中都是 同时发生的。
狭义相对论的基本原理
相对性原理
物理规律在所有惯性参考系中形 式都保持不变。
光速不变原理
光在真空中的速度在所有惯性参 考系中都是相同的，约为每秒 299,792,458米。
02
洛伦兹变换
洛伦兹变换的定义
洛伦兹变换是用来描述不同惯性参考系之间坐 标和时间的变换。
在狭义相对论中，所有惯性参考系都是等价的 ，因此可以通过洛伦兹变换将一个惯性参考系 中的事件变换到另一个惯性参考系中。
3
通过洛伦兹变换，我们可以更好地理解狭义相对 论中的基本原理和概念，从而更深入地了解这个 理论。
03
光速不变原理
光速不变原理的表述
光速不变原理是狭义相对论的基本假设之一，它指出在任何惯性参考系中，真空 中光的传播速度都是恒定不变的，约为每秒299,792,458米。
光速不变原理可以表述为：无论观察者的运动状态如何，光的速度在真空中总是 相同的。
狭义相对论的质量和能量 质量与能量的关系
质量和能量是等价的：在狭义相对论中，质量和能量被视 为同一事物的两个方面，它们之间可以相互转换。
核能释放：核反应过程中，原子核中的质量会转化为能量 释放出来。
质能方程E=mc²：该方程表达了质量和能量之间的关系 ，其中E代表能量，m代表质量，c代表光速。
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
《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”
狭义相对论基础PPT教学课件
1
u2 ＝5 c2
1－（9103 / 3108 )2
4.999999998m
差别很难测出。
若 u = o.98 c
l l0
1
u2 c2
＝5
1－（0.98)2 1 m
相差5倍！
例2、试从π介子在其中静止的参照系来考虑π介子的平 均寿命。
解：从π介子的参照系看来，实验室的运动速率为 u=0.99c, 实验室中测得的距离是 l=52m 为固有长度 ， 在π介子参照系中测量此距离应为：
小结
前言:
类型：港口,车站,航空港 影响因素：经济,社会,技术,自然
港
概念：具有一定面积的水域和陆域，供船舶
口 出入和停泊、货物和旅客集散的场所
的
建
区位选择：
自然条件：航行,停泊,筑港
设 经济和社会条件:腹地,城市
上 海 港
（1）是 ____上的港，兼作____港，主要港区 沿_____分布。
的 （2）_____是中国经济_____地区，包括
讨论 1) 同时性的相对性是光速不变原理的直接结果
2) 相对效应(总之；沿两个惯性系相对运动方向发生的两个
事件，在其中一个惯性系中表现为同时的，在另一惯性系中观 察，则总是在前一惯性系运动的后方的那一个事件先发生。）
3) 当速度 u 远远小于 c 时，两个惯性系结果相同
2.时间膨胀
y′
S ′系中， A ′处有光源闪光 M′
爱因斯坦
1）爱因斯坦的相对性理论 是牛顿理论的发展
一切物 理规律
力学 规律
2） 光速不变与伽利略变换 革命性
与伽利略的速度相加原理针锋相对
3） 观念上的变革
时间标度 牛顿力学 长度标度
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。
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，
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。
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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。
《大学物理》第十三章 狭义相对论
S
v
往返时间：t0
2l0 c
O x1
l0
x2 x
入射路程：
dv
S
d l vt1
S
l
vt1 x
d ct1
解得
O x1
x2 x
l t1 c v
同理可得光脉冲从反射镜返回到光源的时间：
t2
c
l
v
全程所用时间： t t1 t2
即
t l l cv cv
2l c 1 v2
c2
因为 t t0 1 v2 c2
“绝对空间就其本质而言，是与任何外 界事物无关、而且是永远相同和不动 的。”——绝对时空观
显然，绝对时空观符合人们日常的经验和习惯。
13-1-3 迈克耳孙-莫雷实验
以太风
M1 l2
G
地球相对于以太速度：v
光在以太速度：c
M2
S
l1
实验原理图
T
光路（1） • 光顺着以太方向传播
cv
S
vc
M1 l2
• 1895-1896
瑞士阿劳中学一年
1900-1902
艰辛求职，四面碰壁
• 1902-1909
伯尔尼发明专利局工作
•
1905 提出狭义相对论
• 1909-1914
进入大学工作（苏黎士，布拉格等地）
• 1914-1933
柏林大学教授，德国院士
•
1915 提出广义相对论
• 研究员1933-1955
美国普林斯顿大学高级研究所
• 1955年4月18日 逝世
6
• 希尔伯特： • 没有比专利局对爱因斯坦更适合的工作
单位了
• 空闲、宽容
狭义相对论基础 ppt课件
x2 y2 z2 x2 y2 z2
长度（或两个同时事件之间的距离）与参考系的选择 无关。物体的广延性不受其运动状态的影响。
表明：绝对空间，按其本性，不受外界事物的影响， 总是保持不变并且不可移动。
ppt课件
17
3. 伽利略变换
当 t t 0时 o 与 o重合
坐标变换式
s y s' y'
2） 时空不独立，t 和 x 变换相互交叉。
3） u c 时，洛伦兹变换
伽利略变换。
洛仑兹 变换
x x ut
y y z z
t t x
c
0 1
退化
ppt课件
x x ut y y z z t t
伽利略 变换
40
导出洛伦兹变换后，狭义相对性原理可以表述为： 表示物理定律的方程式在洛伦兹变换和物理量的相应 变换下保持形式不变。
u c2
x) (t
c
x)
t (t u x) (t x)
c2
ppt课件
c
38
洛伦兹变换式
x (x ut)
x (x ut)
正 y y
变 换
z z
t
(t
u c2
x)
逆 y y
变 换
z z
t
(t
u c2
x)
ppt课件
39
洛伦兹变换特点
1 , u
பைடு நூலகம்
1 2
c
1） t, x 与 t，x 成线性关系，但比例系数 1 。
vz vz
vz vz
加速度变换公式
ax ax ay ay az az
牛顿力学中： 相互作用是客观的 力与参考系无关
长度（或两个同时事件之间的距离）与参考系的选择 无关。物体的广延性不受其运动状态的影响。
表明：绝对空间，按其本性，不受外界事物的影响， 总是保持不变并且不可移动。
ppt课件
17
3. 伽利略变换
当 t t 0时 o 与 o重合
坐标变换式
s y s' y'
2） 时空不独立，t 和 x 变换相互交叉。
3） u c 时，洛伦兹变换
伽利略变换。
洛仑兹 变换
x x ut
y y z z
t t x
c
0 1
退化
ppt课件
x x ut y y z z t t
伽利略 变换
40
导出洛伦兹变换后，狭义相对性原理可以表述为： 表示物理定律的方程式在洛伦兹变换和物理量的相应 变换下保持形式不变。
u c2
x) (t
c
x)
t (t u x) (t x)
c2
ppt课件
c
38
洛伦兹变换式
x (x ut)
x (x ut)
正 y y
变 换
z z
t
(t
u c2
x)
逆 y y
变 换
z z
t
(t
u c2
x)
ppt课件
39
洛伦兹变换特点
1 , u
பைடு நூலகம்
1 2
c
1） t, x 与 t，x 成线性关系，但比例系数 1 。
vz vz
vz vz
加速度变换公式
ax ax ay ay az az
牛顿力学中： 相互作用是客观的 力与参考系无关
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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， 坐标原点 O 和 O 重合时，校准两个参考系里的时 钟。
7
经
相 对
典 力 学
论时
空
观
2020/9/29
S系和S'系中的时间和空间有什么关系？
S'系中（x' 、y' 、z' 、t' ）：
x x ut y y
——伽利略变换
6
经
相 对
典 力 学
论时
空
观
2020/9/29
§5 –1 伽利略变换、力学相对性原理
一、伽利略变换
1.力学中的事件描述 在空间发生的一个物理事件要用四个坐标
（x、y、z、t ）来描述。 物理事件在两个不同参考系中：
在S系中用： （x、y、z、t ）
在S'系中用： （x' 、y' 、z' 、t' ）
的实验事实不能用这套经典物理学来解释：
☆ 迈克尔逊—莫雷实验； ☆ 黑体辐射； ☆ 光电效应； ☆ 康普顿效应； ☆ 原子光谱等。
4
相 对 论
面对经典物理
学遇到了极大的困
难，
直到： 1900年普郎克提出能量子假设； 1905年爱因斯坦提出相对论和光子假设； 1913年玻尔提出氢原子半经典理论； 1924年德布罗意提出实物粒子和光一样具
2020/9/29
1
第五篇
狭义相对论
狭义相对论基础
1.伽利略变换 经典力学的时空观 2.麦克尔逊-莫雷实验 3.爱因斯坦假设 洛仑兹变换 4.狭义相对论的时空观 5.洛仑兹速度变换法则 6.相对论动力学基础
2020/9/29
2
教学基本要求
1.了解产生背景，理解其基本原理，理解牛顿力 学时空观和狭义相对论时空观及二者的关系
12
经
相 对
典 力 学
论时
空
观
牛顿定律适用的参照系称为惯性系，凡是
对已知惯性系作匀速直线运动的参照系都是惯
性系。
甲看：物体静止不动
甲
N
满足 F0
乙看：物体作匀速直 线运动也满足
F0
地面
mg
乙
u
牛顿第一定律和第三定律在所有惯性系中
都具有相同的形式。
2020/9/29
13
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
经
相 对
典 力 学
论时
空
2.掌握洛仑兹变换，理解同时的相对性、长度收 缩、时间膨胀的概念
3.理解质量和能量的关系，并能用以分析计算有 关的简单问题
相 对 论
2020/9/29
十九世纪末物理学已经发展成为一套相当 完整的理论：
力 学：牛顿力学；
电磁学、光学：麦克斯韦电磁场理论；
热 学：热力学和统计物理学。 但十九世纪末二十世纪初，却也发现许多新
论莫
雷 实
“以太”必须绝对静止，弥漫于整个宇宙空间， 密度极小，切变弹性模量比钢还大，而一切天体在 其中运行又不能受到任何阻力，它也不能跟随天体
可见在两个参照系中时间和时间间隔也是相 同的，即时间是绝对相同，时间间隔绝对相等， 与参照系无关。
结论：经典力学的时间和空间都是绝对的， 它们互不相关、各自独立——绝对时空观。
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三、力学的相对性原理
在任何惯性系中力学定律都具有相同的形式 ——力学的相对性原理。
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t t
t t
二、经典力学时空观
棒长为 l ，静止放在S系中，分别在S系和S'系 中测量其长度：
y y'
S系
S'系
O O' z z'
l
u
x x'
9
经
相 对
典 力 学
论时
空
观
在S系中测得：
l(x 2 x 1 )2 (y 2 y 1 )2 (z 2 z 1 )2
在S'系中测得： l (x2 x1)2 ( y2 y1)2 (z2 z1)2
有波粒二象性假设。
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5
相 对 论
相对论和量子力学是近代物理学的两大支柱， 也是现代许多基础科学和工程科学的基础。
相对论分为狭义相对论和广义相对论 本篇主要介绍狭义相对论。 局限于惯性参照系的相对论称为狭义相对论， 推广到一般参照系包括引力场在内的相对论称为 广义相对论。
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§5- 2 迈克尔逊 - 莫雷实验
一、经典时空观的局限
相 对 论
迈 克 尔 逊、 莫 雷
运动的火车上
u
发出两束光，光相 ？
？
对于地面的速度各
等于多少？
按伽利略变换（经典的速度变换公式），光相
对于地面的速度分别为： v = c ± u 。
实
矛盾！！
验
按麦克斯韦理论，光在真空中沿各个方向传播
14
经
相 对
典 力 学
论时
空
观
在一个孤立系统内（如一条封闭的船舱 里），人们不能根据所发生的任何力学现象来 判断所处系统是静止的还是作匀速直线运动。
如：在静止的船上你能跳三米远，在匀速 运动的船上也能跳三米远。无论你是向着船头、 还是向着船尾跳，尽管你在空中时船仍在运动。
水在静止的船上竖直下落，在匀速运动的 船上也同样竖直下落，尽管水在空中时船仍在 运动，水决不会有一滴落到容器之外。
观
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在牛顿力学中力与参考系无关： FF 质量与运动无关： mm
若S和S'系都是惯性系
由伽利略变换：
dv dv
vvu a a
dt dt
牛F 顿定理m 应a 该有：F ma
即：牛顿第二定律在惯性系S系和惯性系 S‘系中具有相同的形式，或者说牛顿第二定律在 伽利略变换下形式不变，满足相对性原理。
(x2 ut x1 ut)2 ( y2 y1)2 (z2 z1)2
(x2 x1)2 ( y2 y1)2 (z2 z1)2 l 一切惯性系中测得的长度都是相同的，即空 间是绝对的，与参照系无关。
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经
相 对
典 力 学
论时
空
观
按伽利略变换有：
t1 t1 t2 t2 t2 t1 t2 t1
z z
t t
S系中（x、y、z、t ）： ——伽利略逆变换
x x ut y y z z
y S系
t t
rryS' '系（P（x'，xu，y'，y，z'z，，tt'））
O O'
x x'
z z'
8
经
相 对
典 力 学
论时
空
观
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伽利略变换的矢量形式表为：
r r ut
或
r r ut
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的速度都等于 1 0 0 ，即 c =3108 m/s 。
16
人们当时认定伽利略变换是对的，并认为在所
有惯性系里，只有一个参照系中光的传播遵守麦克
斯韦理论，这个参照系叫做“绝对静止”参照系。
迈
相 对
克 尔 逊、
何为“绝对静止”的参照系？当时人们认为光 波是靠“以太”这种媒质传播的，“以太”必须绝 对静止，这“以太”大概就是“绝对静止”的参照 系。
7
经
相 对
典 力 学
论时
空
观
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S系和S'系中的时间和空间有什么关系？
S'系中（x' 、y' 、z' 、t' ）：
x x ut y y
——伽利略变换
6
经
相 对
典 力 学
论时
空
观
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§5 –1 伽利略变换、力学相对性原理
一、伽利略变换
1.力学中的事件描述 在空间发生的一个物理事件要用四个坐标
（x、y、z、t ）来描述。 物理事件在两个不同参考系中：
在S系中用： （x、y、z、t ）
在S'系中用： （x' 、y' 、z' 、t' ）
的实验事实不能用这套经典物理学来解释：
☆ 迈克尔逊—莫雷实验； ☆ 黑体辐射； ☆ 光电效应； ☆ 康普顿效应； ☆ 原子光谱等。
4
相 对 论
面对经典物理
学遇到了极大的困
难，
直到： 1900年普郎克提出能量子假设； 1905年爱因斯坦提出相对论和光子假设； 1913年玻尔提出氢原子半经典理论； 1924年德布罗意提出实物粒子和光一样具
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第五篇
狭义相对论
狭义相对论基础
1.伽利略变换 经典力学的时空观 2.麦克尔逊-莫雷实验 3.爱因斯坦假设 洛仑兹变换 4.狭义相对论的时空观 5.洛仑兹速度变换法则 6.相对论动力学基础
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教学基本要求
1.了解产生背景，理解其基本原理，理解牛顿力 学时空观和狭义相对论时空观及二者的关系
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经
相 对
典 力 学
论时
空
观
牛顿定律适用的参照系称为惯性系，凡是
对已知惯性系作匀速直线运动的参照系都是惯
性系。
甲看：物体静止不动
甲
N
满足 F0
乙看：物体作匀速直 线运动也满足
F0
地面
mg
乙
u
牛顿第一定律和第三定律在所有惯性系中
都具有相同的形式。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
经
相 对
典 力 学
论时
空
2.掌握洛仑兹变换，理解同时的相对性、长度收 缩、时间膨胀的概念
3.理解质量和能量的关系，并能用以分析计算有 关的简单问题
相 对 论
2020/9/29
十九世纪末物理学已经发展成为一套相当 完整的理论：
力 学：牛顿力学；
电磁学、光学：麦克斯韦电磁场理论；
热 学：热力学和统计物理学。 但十九世纪末二十世纪初，却也发现许多新
论莫
雷 实
“以太”必须绝对静止，弥漫于整个宇宙空间， 密度极小，切变弹性模量比钢还大，而一切天体在 其中运行又不能受到任何阻力，它也不能跟随天体
可见在两个参照系中时间和时间间隔也是相 同的，即时间是绝对相同，时间间隔绝对相等， 与参照系无关。
结论：经典力学的时间和空间都是绝对的， 它们互不相关、各自独立——绝对时空观。
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三、力学的相对性原理
在任何惯性系中力学定律都具有相同的形式 ——力学的相对性原理。
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t t
t t
二、经典力学时空观
棒长为 l ，静止放在S系中，分别在S系和S'系 中测量其长度：
y y'
S系
S'系
O O' z z'
l
u
x x'
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经
相 对
典 力 学
论时
空
观
在S系中测得：
l(x 2 x 1 )2 (y 2 y 1 )2 (z 2 z 1 )2
在S'系中测得： l (x2 x1)2 ( y2 y1)2 (z2 z1)2
有波粒二象性假设。
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相 对 论
相对论和量子力学是近代物理学的两大支柱， 也是现代许多基础科学和工程科学的基础。
相对论分为狭义相对论和广义相对论 本篇主要介绍狭义相对论。 局限于惯性参照系的相对论称为狭义相对论， 推广到一般参照系包括引力场在内的相对论称为 广义相对论。
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§5- 2 迈克尔逊 - 莫雷实验
一、经典时空观的局限
相 对 论
迈 克 尔 逊、 莫 雷
运动的火车上
u
发出两束光，光相 ？
？
对于地面的速度各
等于多少？
按伽利略变换（经典的速度变换公式），光相
对于地面的速度分别为： v = c ± u 。
实
矛盾！！
验
按麦克斯韦理论，光在真空中沿各个方向传播
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经
相 对
典 力 学
论时
空
观
在一个孤立系统内（如一条封闭的船舱 里），人们不能根据所发生的任何力学现象来 判断所处系统是静止的还是作匀速直线运动。
如：在静止的船上你能跳三米远，在匀速 运动的船上也能跳三米远。无论你是向着船头、 还是向着船尾跳，尽管你在空中时船仍在运动。
水在静止的船上竖直下落，在匀速运动的 船上也同样竖直下落，尽管水在空中时船仍在 运动，水决不会有一滴落到容器之外。
观
2020/9/29
在牛顿力学中力与参考系无关： FF 质量与运动无关： mm
若S和S'系都是惯性系
由伽利略变换：
dv dv
vvu a a
dt dt
牛F 顿定理m 应a 该有：F ma
即：牛顿第二定律在惯性系S系和惯性系 S‘系中具有相同的形式，或者说牛顿第二定律在 伽利略变换下形式不变，满足相对性原理。
(x2 ut x1 ut)2 ( y2 y1)2 (z2 z1)2
(x2 x1)2 ( y2 y1)2 (z2 z1)2 l 一切惯性系中测得的长度都是相同的，即空 间是绝对的，与参照系无关。
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相 对
典 力 学
论时
空
观
按伽利略变换有：
t1 t1 t2 t2 t2 t1 t2 t1
z z
t t
S系中（x、y、z、t ）： ——伽利略逆变换
x x ut y y z z
y S系
t t
rryS' '系（P（x'，xu，y'，y，z'z，，tt'））
O O'
x x'
z z'
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经
相 对
典 力 学
论时
空
观
2020/9/29
伽利略变换的矢量形式表为：
r r ut
或
r r ut
2020/9/29
的速度都等于 1 0 0 ，即 c =3108 m/s 。
16
人们当时认定伽利略变换是对的，并认为在所
有惯性系里，只有一个参照系中光的传播遵守麦克
斯韦理论，这个参照系叫做“绝对静止”参照系。
迈
相 对
克 尔 逊、
何为“绝对静止”的参照系？当时人们认为光 波是靠“以太”这种媒质传播的，“以太”必须绝 对静止，这“以太”大概就是“绝对静止”的参照 系。