狭义相对论基础13PPT课件
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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
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。
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
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。
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。
2020/9/29
11
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。
2020/9/29
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
有波粒二象性假设。
2020/9/29
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。
2020/9/29
(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。
2020/9/29
10
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
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
源自文库
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
经
相 对
典 力 学
论时
空
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
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
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
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。
2020/9/29
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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
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
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' ）
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
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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。
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
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。
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。
2020/9/29
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。
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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
有波粒二象性假设。
2020/9/29
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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。
2020/9/29
(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
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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
源自文库
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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经
相 对
典 力 学
论时
空
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。
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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
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
2020/9/29
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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
2020/9/29
的速度都等于 1 0 0 ，即 c =3108 m/s 。
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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。
2020/9/29
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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
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
2020/9/29
伽利略变换的矢量形式表为：
r r ut
或
r r ut
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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' ）