相对论简介力学
一小时读懂相对论
相对论是爱因斯坦于20世纪初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。
以下是一个简要的相对论概述，帮助你对相对论有一个初步的了解：
1. 狭义相对论（Special Relativity）：
-基本原理：物理定律在所有惯性参考系中都具有相同的形式。
-光速不变原理：光在真空中的速度恒定不变，与观察者的运动状态无关。
-时间相对性：时间并非普遍统一的，而是与观察者的速度有关。
快速运动的观察者会经历时间的膨胀，即时间变得较慢。
-长度收缩：快速运动的物体在其运动方向上会出现长度收缩，即看起来比静止时更短。
2. 广义相对论（General Relativity）：
-引力是时空弯曲的结果：质量和能量会改变周围的时空结构，产生引力。
-时空弯曲和物体运动：物体在弯曲的时空中沿着最短路径（测地线）运动，这被解释为物体受到引力的作用。
-引力和时钟：引力场强会影响时间流逝速度，更强的引力意味着时间流逝较慢。
需要指出的是，相对论是一门复杂的物理学理论，上述内容只是相对
论的一小部分简要概述。
要深入理解相对论，需要进一步学习相关的数学和物理知识，并进行详细的研究。
建议阅读相关的教材或参考权威学术资料来深入学习相对论的原理和应用。
伽利略力学相对性原理
伽利略力学相对性原理第一节：相对论是什么(1) 相对论，又称黑洞原理，是物理学中的一种重要的理论，它的主要发表者是意大利科学家利昂·伽利略。
它于1915年正式提出，结束了古典力学时代，开启了现代物理学的新篇章。
(2) 相对论意味着世界并非客观绝对存在，而是从物理观点来看，世界只是相对于观察者而言存在。
换句话说，不同观察者所观察到的现象可能不一样，但实际情况一样。
第二节：相对论的基本原理(1) 物理定律有效性不受观察者的位置和运动影响：所有观察者在任何状态下均需要遵守相同的物理定律。
(2) 光速是最大速度：光速保持恒定，不管宇宙膨胀与否，不管是谁观察，其速度均是最大速度。
(3) 质能守恒性：质能守恒律说明，物质在宇宙中流动，但能量实际上并未消失，而只是以不同的形式互相转换。
(4) 时空结构：伽利略相对论还完整地描述了时空的结构。
它把时间和空间结合在一起，形成了著名的“时空弯曲”，这就是所谓的弯曲空间-时间。
第三节：相对论的实践应用(1) 量子力学：伽利略相对论中的量子力学理论，被认为是揭开原子结构的正确方向。
它提出了新的物理假设，用来解释原子射线能谱以及亚原子结构，是研究原子结构、衰变等物理现象的基础。
(2) 宇宙学：伽利略相对论也成功完成了宇宙理论的补充。
解释了宇宙大爆炸，提出了诸多宇宙模型，使宇宙学得以突飞猛进。
(3) 量子重力：伽利略相对论还能用于研究量子重力，解释了两个极端的现象，量子物理和引力，并能将它们有机地结合起来。
第四节：相对论的重大意义(1) 学科发展：伽利略相对论的提出，不仅启发和影响了现代物理学，而且对其他学科也有重要影响，如因果关系，能量守恒等基本思想均归因于伽利略相对论。
(2) 历史意义：使得物理学从古典时代跃入现代物理学，并促进了现代科学的发展，昭示出物理学之数学特征。
(3) 理论延伸：伽利略相对论的原则和思想也可以用于研究和讨论其他领域的宇宙现象，如宇宙大爆炸，黑洞，复杂系统等。
什么是相对论什么是非相对论
相对论和非相对论是两种描述物理学中运动和引力的理论。
相对论（Relativity）：
1. 狭义相对论（Special Relativity）：由爱因斯坦在1905年提出，主要描述高速运动的物体，特别是在接近光速的情况下。
其中的主要概念包括时间膨胀（运动时钟比静止时钟慢）、长度收缩（高速运动物体的长度在方向上缩短）、质能等价原理（E=mc²）等。
2. 广义相对论（General Relativity）：由爱因斯坦在1915年提出，是一种描述引力的理论。
它将引力视为由物体扭曲时空造成的，而不是通过牛顿引力的引力场。
广义相对论提供了更全面的引力理论，适用于大质量和高引力场的情况。
非相对论（Non-Relativistic）：
非相对论通常指的是低速运动和低引力场下的物理学。
牛顿力学是一种典型的非相对论理论，适用于我们日常生活中大多数的运动情况。
在非相对论条件下，速度远低于光速，时间和空间的变化不太显著，因此可以使用牛顿力学进行准确的描述。
总体而言，相对论理论适用于高速运动和高引力场的情况，而非相对论理论则适用于低速运动和低引力场的情况。
在一般情况下，非相对论理论可以被视为相对论理论在低速极限的近似。
简介相对论
简介相对论
相对论是现代物理学的理论基础之一。
论述物质运动与空间时间关系的理论。
20世纪初由爱因斯坦创立并和其他物理学家一起发展和完善，狭义相对论于1905年创立，广义相对论于1916年完成。
19世纪末由于牛顿力学和（苏格兰数学家）麦克斯韦（1831~1879年）电磁理论趋于完善，一些物理学家认为“物理学的发展实际上已经结束”，但当人们运用伽利略变换解释光的传播等问题时，发现一系列尖锐矛盾，对经典时空观产生疑问。
爱因斯坦对这些问题，提出物理学中新的时空观，建立了可与光速相比拟的高速运动物体的规律，创立相对论。
狭义相对论提出两条基本原理。
（1）光速不变原理。
即在任何惯性系中，真空中光速c都相同，与光源及观察者的运动状况无关。
（2）狭义相对性原理是物理学的基本定律乃至自然规律，对所有惯性参考系来说都相同。
广义相对论
爱因斯坦的第二种相对性理论（1916年）。
该理论认为引力是由空间——时间几何（也就是，不仅考虑空间中的点之间，而是考虑在空间和时间中的点之间距离的几何）的畸变引起的，因而引力场影响时间和距离的测量.
广义相对论：爱因斯坦的基于光速对所有的观察者（而不管他们如何运动的）必须是相同的观念的理论。
它将引力按照四维空间—时间的曲率来解释。
狭义相对论和万有引力定律，都只是广义相对论在特殊情况之下的特例。
狭义相对论是在没有重力时的情况；而万有引力定律则是在距离近、引力小和速度慢时的情况。
600千米的距离观看十倍太阳质量黑洞模拟图
在600千米的距离上观看十倍太阳质量的黑洞（模拟图），背景为银河系。
相对论简介：时空的弯曲
相对论简介：时空的弯曲爱因斯坦的相对论是20世纪科学史上最伟大的成就之一，它根本上改变了我们对时空的理解。
相对论分为两个主要部分：特殊相对论和广义相对论。
特殊相对论在1905年提出，主要关注在恒速运动下物体的行为。
广义相对论于1915年完成，进一步扩展了特殊相对论的概念，特别是引入了引力与时空的关系。
本文将对这两个部分进行深入探讨，解析时空弯曲的概念。
一、特别相对论的提出在19世纪末和20世纪初，物理学界面临着光速不变性和运动状态之间矛盾的问题。
尽管当时的经典力学理论（如牛顿力学）在许多情况下都能很好地描述运动，但在靠近光速的情况下，经典理论却无法成立。
1905年，阿尔伯特·爱因斯坦通过提出特殊相对论成功解决了这一问题。
1. 牛顿与光速牛顿的经典力学认为，一个物体的速度是相对于观察者而定的。
如果两个物体都朝同一个方向移动，那么他们之间的速度可以通过简单的加法来计算。
然而，爱因斯坦指出，对光来说情况则截然不同：根据麦克斯韦方程组，光速在真空中是一个常数，无论观察者的运动状态如何。
2. 时空统一特殊相对论最大的贡献之一是将时间与空间统一为一个四维宇宙结构，称为“时空”。
爱因斯坦提出，时间和空间并不是绝对独立存在的，而是互相关联、彼此影响。
人们在观察快速运动物体时，会发现时间流逝变慢（时间膨胀）以及长度收缩等现象。
这些看似悖论的结论来源于光速不变性，即所有观察者测量到的光速都相同。
3. 质能关系特殊相对论中的另一个重要公式是著名的质能关系公式：E=mc²。
其中E代表能量，m代表质量，c代表光速。
这一公式揭示了物质和能量可以相互转化，为核能的发展奠定了理论基础。
二、广义相对论的扩展广义相对论于1915年提出，是爱因斯坦在特殊相对论基础上进一步扩展而成。
这一理论主要讨论的是引力及其如何影响时空。
1. 引力与几何广义相对论认为，引力并不是一种作用力，而是由于大质量物体使得周围时空发生弯曲而引起的一种现象。
相对论的主要内容
相对论的主要内容
相对论是由爱因斯坦于20世纪初提出的一种新的物理学理论，它颠覆了牛顿力学的经典观念，改变了人们对时间和空间的认知。
相对论的主要内容包括以下几个方面：
一、狭义相对论
1. 相对性原理：所有的物理定律在不同参考系中都是相同的，没有绝对的参考系。
2. 时空的相对性：时间和空间不再是绝对的概念，它们的测量都取决于观察者的运动状态。
3. 光速不变原理：真空中的光速对所有观察者都是恒定的，与光源和观察者的相对运动状态无关。
4. 质能关系式：E=mc²，能量和质量之间的等价关系，表示质量可以转化成能量，能量也可以转化成质量。
二、广义相对论
1. 引力的等效原理：质量的存在会扭曲周围的空间，造成物体之间的相互作用。
2. 时空的弯曲：质量的分布会改变周围的时空结构，使得时间和空间都呈现出弯曲的状态。
3. 黑洞理论：由于质量超越了一定的临界值，会形成一个超引力的区域，使得任何物质和辐射都无法逃脱。
4. 引力波：由于质量的加速变化，会产生一种类似电磁波的引力波，可以用于探测和观测宇宙中的重大事件。
相对论的理论内容十分丰富和深刻，它不仅改变了人们对时间和空间的观念，也揭示了物质的本质和宇宙的奥秘，是现代物理学中的重要一环。
《相对论》简介
（2）光速不变原理 ）光速不变原理 在任何惯性系中， 在任何惯性系中， 光在真空中的速率都 等于同一量值C 等于同一量值 。
6
3. 由光速不变原理得出的有关结论
（1）同时的相对性
y y' 设如下思想实验： 设如下思想实验： 思想实验
v
A'
1
M
B'
O
x' x
第 五 章
相对论的创建是二十世纪物理学最伟大的 成就之一。1905年爱因斯坦建立了基于惯性 参考系的时间、空间、运动及其相互关系的 物理新理论——狭义相对论。1915年爱因斯坦 又将狭义相对论原理向非惯性系进行推广， 建立了广义相对论，进一步揭示了时间、空 间、物质、运动和引力之间的统一性质。 本章重点介绍狭义相对论的基本原理。
运动的尺子缩短 运动的时钟变慢 显然这些结论与 牛顿时空及伽利略 变换相矛盾？
原时 最短
19
作业： 作业： 5—T6、T7、T8 、 、
双星观测 —光速与光源运动状态无关的实例
旋转的恒星A 两颗绕共同质心O 旋转的恒星 、B 讨论 B（伴星）的运动: （伴星）的运动: B B A B
1.根据伽利略速度合成
“洞中方一日，世上已千年” 洞中方一日，世上已千年” 洞中方一日
11
∆t =
∆t′
1 − ( v )2 c
问：一个光子的寿命？ 时间是静止的！ 一个光子的寿命？ 时间是静止的！
骑在一束光上是什么感觉？ 骑在一束光上是什么感觉？
永远年青！ 永远年青！
12
例2.一宇宙飞船以 v = 9 × 103 m/s 的速率相对地面 一宇宙飞船以 匀速飞行，飞船上的钟走了5s 匀速飞行，飞船上的钟走了 ，地面上的钟测 量经过了多少时间？ 量经过了多少时间？ 解： 原时 ∆t ′ = 5 s 则： t = ∆
相对论简介疑难解析
相对论是现代物理学的一个重要分支，由爱因斯坦于1905年提出，它把空间和时间
融为一体，解决了牛顿力学中空间和时间的统一问题，同时也提出了重力和原子物理的联系。
相对论的基本思想是，在不同的观察者看来，时间和空间存在着一种相对性，即每个观察者会有不同的时间和空间观念，但是每个观察者都会认为自己的观念是正确的。
此外，相对论还提出了质能量平衡公式，即质能可以互相转换，这也是现代物理学的重要概念。
相对论的许多概念是抽象的，甚至不太容易理解，因此，研究相对论的科学家们也面临着种种挑战，如如何把相对论的概念融入物理学的其他理论，如何看待时空的双重性，以及如何将相对论的概念应用到实际生活中等。
总之，相对论是一个非常复杂的物理理论，它解决了物理学中许多悬而未决的问题，
但也存在许多未解决的疑难，因此，研究者们正在不断深入探索相对论，以改善现有的理论，并为未来开发新的理论和技术奠定基础。
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
以太？
十九世纪中叶，麦克斯韦建立了电磁场理论，并预言了以光速C传播的电磁波的存在。在十九世纪末，实验完全证实了麦克斯韦理论。电磁波是什么？它的传播速度C是对谁而言的呢？当时流行的看法是整个宇宙空间充满一种连续介质叫做“以太”，光线和射电讯号是在以太中的波动。完整理论需要的是仔细测量以太的弹性性质，为此，哈佛大学建立了杰弗逊实验室，整个建筑不用任何铁钉，以免干扰磁测量，然而因策划者忽视了褐红色砖头中所含大量铁，预计实验无法如期进行。到世纪之末，开始出现了和穿透一切以太的观念的偏差，如果认为地球是在一个静止的以太中运动，那么根据速度叠加原理，在地球上沿不同方向传播的光的速度必定不一样，但是实验否定了这个结论；如果认为以太被地球带着走，又明显与天文学上的一些观测结果不符。就此，人们发现，这是一个充满矛盾的理论。
编辑本段
穿越时空
1905年10月，德国《物理年鉴》杂志刊登了一篇《关于运动物体的电动力学》的论文，它宣告了狭义相对论假说的问世。正是这篇看似很普通的论文，建立了全新的时空观念，并向明显简单的同时性观念提出了挑战。我们知道由爱因斯坦狭义相对论可以得出运动的物体存在时间膨胀效应。在1911年4月波隆哲学大会上，法国物理学家P．朗之万用双生子实验来质疑狭义相对论的时间膨胀效应，设想的实验是这样的：一对双胞胎，一个留在地球上，另一个乘坐火箭到太空旅行。飞行速度接近光速，在太空旅行的双胞胎中的一人回到地球时只不过两岁，而他的兄弟早已死去了，因为地球上已经过了200年了。这就是著名的双生子佯谬。
物理学中的相对论性力学
物理学中的相对论性力学相对论是现代物理学中的一项基础理论，它完全颠覆了牛顿力学，对于我们理解自然界中的许多现象都有着重要的作用。
相对论性力学作为相对论理论的基础之一，在物理学中也占据着极为重要的地位。
一、相对论的出现在牛顿力学时代，人们普遍认为时间、空间是独立存在的，而运动物体的速度并不会影响观察者对于事物的观察结果。
而随着科技的进步，人们越来越能够观测到高速运动物体的运动情况，例如光速飞行的光子、超高速运行的电子等。
但是，当人们用牛顿力学理论去解释这些现象时，常常会出现一些矛盾和问题。
例如，当人们观测到两个运动中的物体之间的距离在不断缩短时，牛顿力学会认为它们之间的相对速度在不断增大。
但是，当这两个物体的速度趋于光速时，牛顿力学理论将无法解释它们之间的相互作用现象，因为此时它们会变得无穷重，并且它们之间的相对距离也将变得无限缩短。
正是由于这些现象的存在，物理学家开始担心牛顿力学是否还能够适用于所有情况。
因此，他们开始寻找一种更普遍的物理理论来解释高速运动物体的运动规律，最终找到了相对论。
二、相对论的基本概念相对论的核心概念是时间和空间的相对性，它进一步推导出了质量、能量和动量等物理量的相对性。
首先，时间的相对性是指时间不是惟一存在的，而是与不同观测者有不同的时间。
如果两个观测者相对静止，那么这两个观测者看到的时间是一致的。
但是，如果两个观测者之间存在相对运动，那么他们看到的时间是不同的。
例如，人们可以观测到暴露在空间中的计时器上，当它和观测者静止时计时是一致的。
但是，当它的速度越来越快时，便会出现时间的膨胀现象。
除了时间的相对性之外，相对论还规定了空间的相对性。
空间的相对性是指空间也不是惟一存在的，而是与观测者的运动状态有关。
例如，如果两个观测者之间相对静止，他们看到的空间是完全一致的。
但是，如果某个观测者开始运动，那么他看到的空间将出现扭曲现象。
三、相对论性动力学相对论性动力学是相对论力学的重要组成部分，它主要研究高速运动下物体的运动规律和相互作用力。
物理学中的相对论和量子力学概念
物理学中的相对论和量子力学概念相对论是20世纪初由阿尔伯特·爱因斯坦提出的物理学理论，主要分为狭义相对论和广义相对论。
相对论揭示了时间、空间、物质、能量之间的本质联系，是对牛顿力学体系的继承和发展。
1.狭义相对论狭义相对论的核心观念是相对性原理和光速不变原理。
相对性原理指出，在任何惯性参照系中，物理定律的形式都是相同的。
光速不变原理指出，在真空中，光速是一个常数，与光源和观察者的运动状态无关。
2.广义相对论广义相对论将狭义相对论的原理扩展到非惯性参照系，提出了引力是由物质引起的时空弯曲。
在这个理论中，重力不再被视为一种力，而是物体在弯曲时空中自然沿着几何路径（测地线）运动的结果。
量子力学是研究微观粒子（如原子、电子、光子等）行为和性质的物理学分支。
量子力学的基本原理包括波粒二象性、不确定性原理和量子叠加等。
1.波粒二象性微观粒子具有波粒二象性，即它们既表现出波动性，又表现出粒子性。
这一观念源于马克斯·普朗克的量子理论和爱因斯坦的光量子理论。
2.不确定性原理不确定性原理指出，在微观尺度上，粒子的位置和动量无法同时被精确测定。
这表明，微观世界中的物质行为与宏观世界中的物体行为有很大差异。
3.量子叠加量子叠加是指微观粒子在多种可能的状态之间同时存在的一种现象。
这意味着，在没有进行观测之前，微观粒子既处于这里，又处于那里，只有在观测时，它们的状态才会“坍缩”为某一种特定的情况。
相对论和量子力学共同构成了现代物理学的基石。
这两个理论在原子尺度、粒子尺度以及宇宙尺度上都有广泛的应用，对于人类理解自然界的奥秘具有重要意义。
习题及方法：1.习题：根据狭义相对论，两个相对于观察者以等速v运动的恒星，其中一个恒星发出一束光，求观察者接收到光的时间。
解题方法：根据光速不变原理，光在真空中的传播速度与参照系无关，设恒星到观察者的距离为d，光速为c，则光从恒星发出到观察者接收的时间为t=d/c。
2.习题：一个物体在地面上的重量为W，将其带到地球同步轨道上，求其重量。
知识讲解 相对论简介
相对论简介【学习目标】1．理解经典的相对性原理．2．理解光的传播与经典的速度合成法则之间的矛盾．3．理解狭义相对论的两个基本假设．4．理解同时的相对性．5．知道时间间隔的相对性和长度的相对性．6．知道时间和空间不是脱离物质而单独存在的7．知道相对论的速度叠加公式．8．知道相对论质量．9．知道爱因斯坦质能方程．10．知道广义相对性原理和等效原理．11．知道光线在引力场中的弯曲及其验证．【要点梳理】【高清课堂：相对论简介】要点一、相对论的诞生1．惯性系和非惯性系牛顿运动定律能够成立的参考系叫惯性系，匀速运动的汽车、轮船等作为参考系就是惯性系．牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系．例如我们坐在加速的车厢里，以车厢为参考系观察路边的树木房屋向后方加速运动，根据牛顿运动定律，房屋树木应该受到不为零的合外力作用，但事实上没有，也就是牛顿运动定律不成立．这里加速的车厢就是非惯性系．相对于一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系．2．伽利略相对性原理力学规律在任何惯性系中都是相同的．即任何惯性参考系都是平权的．这一原理在麦克尔逊—莫雷实验结果面前遇到了困惑，麦克尔逊—莫雷实验和观测表明：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的．3．麦克尔逊—莫雷实验（1）实验装置，如图所示．（2）实验内容：转动干涉仪，在水平面内不同方向进行光的干涉实验，干涉条纹并没有预期移动．（3）实验原理：如果两束光的光程一样，或者相差波长的整数倍，在观察屏上就是亮的；若两束光的光程差不是波长的整数倍，就会有不同的干涉结果．由于1M 和2M 不能绝对地垂直，所以在观察屏上可以看到明暗相间的条纹．如果射向1M 和2M 的光速不相同，就会造成干涉条纹的移动．我们知道地球的运动速度是很大的，当我们将射向M 的光路逐渐移向地球的运动方向时，应当看到干涉条纹的移动，但实际结果却看不到任何干涉条纹的移动．因此，说明光在任何参考系中的速度是不变的，它的速度的合成不满足经典力学的法则，因此需要新的假设出现，为光速不变原理的提出提供有力的实验证据．（4）实验结论：光沿任何方向传播时，相对于地球的速度是相同的．4．狭义相对论的两个基本假设（1）狭义相对性原理．在不同的惯性参考系中，一切物理定律总是相同的．（2）光速不变原理．真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的．【高清课堂：相对论简介】要点二、时间和空间的相对性1．“同时”是相对的A B 、两个事件是否同时发生，与参考系的选择有关．汽车以较快的速度匀速行驶，车厢中央的光源发出的闪光，对车上的观察者，这个闪光照到车厢前壁和后壁的这两个事件是同时发生的．对车下的观察者，他观察到闪光先到达后壁后到达前壁．这两个事件是不同时发生的．2．长度的相对性（尺缩效应）长度的测量方法：同时测出杆的两端M N 、的位置坐标．坐标之差就是测出的杆长．如果与杆相对静止的人认为杆长为0l ．与杆相对运动的人认为杆长为l ．则 201v l l c ⎛⎫=- ⎪⎝⎭． 一根沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度小，而在垂直于运动方向上，杆的长度没有变化．3．时间间隔的相对性（钟慢效应）某两个事件在不同的惯性参考系中观察，它们的时间间隔不一样．在与事件发生者相对静止的观察者测出两事件发生的时间间隔为τ∆，与事件发生者相对运动的观察者测得两事件发生的时间间隔为t ∆． 21t v c ∆=⎛⎫- ⎪⎝⎭．4．相对论的时空观相对论认为空间和时间与物质的运动状态有关．经典物理则认为空间和时间是脱离物质而存在的，是绝对的，空间与时间之间没有什么联系．虽然相对论更具有普遍性，但是经典物理学作为相对论在低速运动时的特例，在自己的适用范围内还将继续发挥作用．【高清课堂：相对论简介】要点三、狭义相对论的其他结论1．相对论速度变换公式相对论认为，如果一列沿平直轨道高速运行的火车对地面的速度为v ，车上的人以速度u ＇沿着火车前进的方向相对火车运动，那么这个人相对地面的速度2''1u v u u v c+=+． 理解这个公式时请注意：（1）如果车上的人的运动方向与火车的运动方向相反，则u ＇取负值．（2）如果v c ，'u c ，这时2'u v c 可忽略不计，这时相对论的速度合成公式可近似变为u u v =+＇（3）如果u ＇与v 的方向相垂直或成其他角度时，情况比较复杂，上式不适用．2．相对论质量相对论中质量和速度的关系为m =．理解这个公式时请注意：（1）式中0m 是物体静止时的质量（也称为静质量），m 是物体以速度v 运动时的质量．这个关系式称为相对论质速关系，它表明物体的质量会随速度的增大而增大．（2）v c 时，近似地0m m =．（3）微观粒子的运动速度很高，它的质量明显地大于光子质量．例如回旋加速器中被加速的粒子质量会变大，导致做圆周运动的周期变大后，它的运动与加在D 形盒上的交变电压不再同步，回旋加速器的加速能量因此受到了限制．3．质能方程爱因斯坦质能关系式：2E mc =．理解这个公式请注意：（1）质能方程表达了物体的质量和它所具有的能量的关系：一定的质量总是和一定的能量相对应．（2）静止物体的能量为200E m c =，这种能量叫做物体的静质能．每个有静质量的物体都具有静质能．（3）对于一个以速率v 运动的物体，其动能222001)k E m c mc m c =-=-．（4）物体的总能量E 为动能与静质能之和，即20k E E E mc =+=（m 为动质量）．（5）由质能关系式可知2E mc ∆=∆．（6）能量与动量的关系式E ∆= 【高清课堂：相对论简介】要点四、广义相对论、宇宙学简介1．狭义相对论无法解决的问题（1）万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架．（2）惯性参考系在狭义相对论中具有特殊的地位．2．广义相对论的基本原理（1）广义相对性原理：爱因斯坦把狭义相对性原理从匀速和静止参考系推广到做加速运动的参考系，认为所有的参考系都是平权的，不论它们是惯性系还是非惯性系，对于描述物理现象来说都是平等的．（2）等效原理：在物理学上，一个均匀的引力场等效于一个做匀加速运动的参考系．3．广义相对论的几个结论（1）光线在引力场中偏转：根据广义相对论，物质的引力会使光线弯曲，引力场越强，弯曲越厉害．通常物体的引力场都太弱，但太阳引力场却能引起光线比较明显的弯曲．（2）引力红移：按照广义相对论，引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别．例如，在强引力的星球附近，时间进程会变慢，因此光振动会变慢，相应的光的波长变长、频率变小，光谱线会发生向红光一端移动的现象．光谱线的这种移动是在引力作用下发生的，所以叫“引力红移”．（3）水星近日点的进动：天文观测显示，行星的轨道并不是严格闭合的，它们的近日点（或远日点）有进动（行星绕太阳一周后，椭圆轨道的长轴也随之有一点转动，叫做“进动”），这个效应以离太阳最近的水星最为显著．广义相对论所作出的以上预言全部被实验观测所证实．还有其他一些事实也支持广义相对论．目前，广义相对论已经在宇宙结构、宇宙演化等方面发挥主要作用．（4）时间间隔与引力场有关，引力场的存在使得空间不同位置时间进程出现差别．（5）杆的长度与引力场有关．空间不是均匀的，引力越大的地方，长度越小．4．大爆炸宇宙学宇宙起源于一个奇点，在该奇点，温度为无穷大，密度为无穷大，空间急剧膨胀，即发生宇宙大爆炸．之后，宇宙不断膨胀，温度不断降低，大约经历200亿年形成我们今天的宇宙．宇宙还处于膨胀阶段，未来将会怎样演化，目前还不能完全确定．要点五、本章知识结构要点六、专题总结1．时空的相对性（1）“同时”的相对性：在经典的物理学上，如果两个事件在一个参考系中认为是同时的，在另一个参考系中一定也是同时的；而根据爱因斯坦的两个假设，同时是相对的．（2）“长度”的相对性：①如果与杆相对静止的人认为杆长是0l ，与杆相对运动的人认为杆长是l，则两者之间的关系为：l l = ②一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度小．（3）“时间间隔”的相对性：运动的人认为两个事件时间间隔为τ∆，地面观察者测得的时间间隔为t ∆，则两者之间关系为：t ∆=．2．质速关系与质能关系（1）质速关系物体以速度v 运动时的质量m 与静止时的质量0m 之间的关系：m =（2）质能关系①相对于一个惯性参考系以速度v 运动的物体其具有的相对论能量2E mc ===．其中200E m c =为物体相对于参考系静止时的能量．②物体的能量变化E ∆与质量变化m ∆的对应关系：2E mc ∆∆=．【典型例题】类型一、相对论的诞生例1如图所示，在列车车厢的光滑水平面上有一质量为 5 kg m =的小球，正随车厢一起以20 m/s 的速度匀速前进．现在给小球一个水平向前的 5 N F =的拉力作用，求经过10 s 时，车厢里的观察者和地面的观察者看到小球的速度分别是多少？【思路点拨】力学规律在任何惯性系中都是相同的．【答案】见解析【解析】对车上的观察者：物体的初速00v =，加速度21m/s F a m==， 经过10 s 时速度110 m/s v at ==．对地上的观察者解法一：物体初速度020 m/s v =，加速度相同21m/s F a m==． 经过10 s 时速度2030 m/s v v at =+=．解法二：根据速度合成法则()210 1020 m/s 30 m/s v v v =+=+=．【总结升华】在两个惯性系中，虽然观察到的结果并不相同，一个10 m/s ，另一个30 m/s ，但我们却应用了同样的运动定律和速度合成法则．也就是说，力学规律在任何惯性系中都是相同的．例2 考虑几个问题：（1）如图所示，参考系O ＇相对于参考系O 静止时，人看到的光速应是多少？（2）参考系O ＇相对于参考系O 以速度v 向右运动，人看到的光速应是多少？（3）参考系O 相对于参考系O ＇以速度v 向左运动，人看到的光速又是多少？【答案】三种情况都是c ．【解析】根据速度合成法则，第一种情况人看到的光速应是c ，第二种情况应是c v +，第三种情况应是c v -，此种解法是不对的，而根据狭义相对论理论知，光速是不变的，都应是c ．【总结升华】麦克耳孙——莫雷实验证明了光速在任何惯性参考系中的速度是不变的，对于高速物体，伽利略速度合成法则不再适用．类型二、时间和空间的相对性例3（2014 长沙模拟)(1)某火箭在地面上的长度为L 0，发射后它在地面附近高速(约0.3c )飞过，关于地面上的人和火箭中的人观察到的现象，以下说法正确的是________。
简单说明相对论
简单说明相对论
相对论是一种物理学理论，主要由爱因斯坦在20世纪初提出。
这一理论主要涉及到时间、空间和引力的相互关系，并对经典牛顿力学提出了挑战。
相对论的核心思想是，物理规律在不同参考系中是相对的，即物理规律在不同的速度和引力场中会发生改变。
相对论的一个重要概念是光速不变原理，即在任何参考系中，光速都是恒定不变的。
这意味着，无论观察者是静止的还是运动的，他们测量光速都会得到相同的结果。
这一概念颠覆了牛顿力学中的绝对时间和空间观念，引入了时间和空间的相对性。
根据相对论，当物体的速度接近光速时，时间会变得相对缓慢，长度会变短，质量会增加。
这被称为时间膨胀、长度收缩和质量增加效应。
这些效应在日常生活中是微不足道的，但在高速运动和强引力场中会变得显著。
相对论还提出了著名的质能方程E=mc²，其中E代表能量，m代表物体的质量，c代表光速。
这个方程表明，质量和能量是等价的，并且互相转化。
这一方程的发现对核能和宇宙学的发展产生了深远的影响。
相对论对现代科学和技术的发展有着重要的影响。
它解释了宇宙中的各种现象，如黑洞、星系的运动、宇宙膨胀等。
相对论还是GPS 导航系统正常运行的基础，因为在高速运动下，时间膨胀效应会对
导航信号产生微小的影响。
相对论是一种革命性的物理学理论，它改变了我们对时间、空间和引力的理解。
通过相对论的研究，我们更深入地认识了宇宙的奥秘，并取得了众多科学和技术上的突破。
相对论的重要性不仅体现在科学研究中，也对我们的日常生活产生了重要影响。
物理学中的量子力学和相对论
物理学中的量子力学和相对论量子力学和相对论是现代物理学的两大基石，它们在理论物理和实验物理中都具有重要的地位。
量子力学主要研究微观粒子的行为，而相对论则主要研究宏观物体的运动规律。
本文将详细介绍量子力学和相对论的基本原理、主要内容和应用领域。
一、量子力学1.1 基本原理量子力学的基本原理包括波粒二象性、测不准原理、能量量子化、态叠加和量子纠缠等。
1.波粒二象性：微观粒子既具有波动性，又具有粒子性。
这一点可以通过著名的双缝实验来证明。
2.测不准原理：在同一时间，不能精确测量一个粒子的位置和动量；在同一时间，不能精确测量一个粒子的总能量和粒子的总粒动量。
3.能量量子化：微观粒子的能量是以离散的量子形式存在的，如光子的能量与频率成正比，E=hv。
4.态叠加：一个量子系统的态可以表示为多种可能状态的叠加，如一个电子的态可以同时表示为在上轨道和下轨道的叠加。
5.量子纠缠：两个或多个量子粒子在一定条件下，它们的量子态将相互关联，即使它们相隔很远，一个粒子的状态变化也会瞬间影响到另一个粒子的状态。
1.2 主要内容量子力学的主要内容包括量子态、量子运算、量子测量和量子信息等。
1.量子态：量子态是描述量子系统状态的数学对象，通常用希尔伯特空间中的向量表示。
2.量子运算：量子运算是指在量子系统上进行的计算，如量子比特的基本运算包括量子翻转和量子纠缠。
3.量子测量：量子测量是指对量子系统的状态进行观测，测量结果受到量子态和测量设备的影响。
4.量子信息：量子信息是指利用量子力学原理进行信息传输和处理的方法，如量子通信、量子计算和量子密钥分发等。
1.3 应用领域量子力学的应用领域非常广泛，包括：1.量子计算：利用量子比特进行计算，理论上可以实现比经典计算机更强大的计算能力。
2.量子通信：利用量子纠缠和量子密钥分发实现安全的信息传输。
3.量子密码：利用量子力学原理实现密码学的安全性。
4.量子传感：利用量子系统的高灵敏度进行各种物理量的测量，如重力、磁场、温度等。
高中物理知识全解4.5相对论简介
高中物理知识全解 4.5 相对论简介一：经典力学经典力学有它的适用范围：只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界；只适用于弱引力情况，不适用于强引力情况。
对于高速运动（速度接近真空中的光速），需要应用爱因斯坦的相对论。
当物体的运动速度远小于真空中的光速时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别。
对于微观世界，需要应用量子力学。
当普朗克常数可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别。
对于强引力情况，需要应用爱因斯坦引力理论。
当天体的实际半径远大于它们的引力半径时，爱因斯坦引力理论和牛顿引力理论计算出的力的差异并不很大。
二：狭义相对论①两个基本假设惯性系：牛顿第一、第二定律在其中有效的参照系，简称惯性系。
如果S为一惯性参照系，则任何对于S做匀速直线运动的参照系都是惯性参照系；而对于S做加速运动的参照系则是非惯性参照系。
所有的惯性参照系都是等效的。
惯性参照系即惯性系。
1、狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。
∴狭义相对论只涉及无加速度运动的惯性系。
【例题】以下说法中正确的是（）A、经典物理学中的速度合成公式在任何情况下都是适应的。
B、经典物理规律也适应于高速运动的物体。
C、力学规律在一个静止的参考系和一个匀速运动的参考系中是不等价的。
D、力学规律在任何惯性系里都是等价的。
答案：D2、光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。
∴一切运动的物体相对观察者的速度都不能大于真空中的光速。
【例题】属于狭义相对论基本假设的是：在不同的惯性系中( )A．真空中光速不变B．时间间隔具有相对性C．物体的质量不变D．物体的能量与质量成正比答案：A【例题】如下图所示，沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C。
假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上的观测者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是（）(A)同时被照亮(B)A先被照亮(C)C先被照亮(D)无法判断②时间和空间的相对性1、“同时”的相对性：两个事件是否同时发生，与参考系的选取有关。
什么是相对论？
什么是相对论？相对论是物理学中的一项重要理论，由爱因斯坦提出并发展起来。
它描述了时间、空间、物质和能量之间的关系，并解释了运动物体的性质和相互作用。
下面将从相对论的定义、相对论的发展历程、相对论的要点以及相对论的应用等方面进行介绍。
一、相对论的定义相对论是描述时间和空间的物理学理论，主要包括狭义相对论和广义相对论两个方面。
狭义相对论是由爱因斯坦于1905年提出的，它探讨了光速恒定、时间扭曲和长度收缩等现象，对于高速运动下的物体具有较好的解释能力。
广义相对论是在狭义相对论的基础上发展而成的，它结合了引力与时间空间的弯曲，给出了引力场的表达形式，并成功解释了黑洞、宇宙膨胀等重要现象。
二、相对论的发展历程相对论的发展历程可以追溯到19世纪末的经典物理学时期。
当时，麦克斯韦的电磁场理论与牛顿的力学理论存在矛盾，特别是对光速的恒定性的解释。
这一问题引起了爱因斯坦的关注，并促使他提出了狭义相对论。
随后，爱因斯坦在广义相对论中引入了引力的概念，进一步完善了相对论的理论体系。
三、相对论的要点相对论的要点包括了相对性原理、光速不变原理、时空弯曲和质能等价原理等。
相对性原理指出，所有观察者都可以得到相同的物理定律，无论他们处于怎样的运动状态。
光速不变原理指出，在任何参考系中，光速都是一个恒定值，与光源和观察者的运动状态无关。
时空弯曲则是广义相对论的核心内容，它表明物体的运动轨迹会随着周围的引力场的强弱而发生弯曲。
质能等价原理则是指质量与能量之间存在一种等价关系，质量本质上是能量的一种形式。
四、相对论的应用相对论在理论物理学中有着广泛的应用。
在高能物理实验中，相对论的效应决定了粒子的能量和动量的计算方式，为粒子物理学研究提供了重要的理论基础。
在天体物理学中，广义相对论被用来解释黑洞和引力波等现象，丰富了人类对宇宙结构的认知。
在工程技术中，相对论的原理被应用于卫星导航、精密测量和导航系统等领域，提高了测量和定位的准确性。
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t0 t 1 2 4.5 1010 3.0 1010 s 5.02 1016 1 s 16 8.99 10
t 0 t 表明固有时间间隔最短.
第十二章 相对论简介
§12.3 相对论的速度变换
设坐标系S 相对于坐标系S 以速度 u 沿 x 轴正向 运动, 则对于S系而言：
n n0 e
(ln 2 1 2 / 0 ) t
2 (ln 2 1 （0.995） / 2.2106 )1981/ 0.995c
563 e
415
第十二章 相对论简介 此结果与实验基本符合. 再从与子一起运动的参考系研究.此参考系中子静
止,故其半衰期仍为 0 ;但因“动尺缩短”,山的高度
麦克斯韦方程不具备伽利略变换的不变性. 以太是否存在？
第十二章 相对论简介
（二） 菲索与迈克耳孙——莫雷实验
1.菲索实验（流水对光速影响实验） M O M
S
B B I v
M
由经典理论,由B处分成的两束光回至B处时间差为
1 1 Δt 2l ( c / n ) kv ( c / n ) kv
c/nv 1 nv / c c cn ( ) 1 v / nc 1 v / nc n
K K
π 0
π π
π
e
π
第十二章 相对论简介 [解] 粒子的速率已达2.24108m/s ,达光速70%以上, 应当用相对论计算.题中d和v显然是实验室中测得 的.从实验室测得的粒子运动的时间间隔为
d 1 101 10 t s 4 . 5 10 s 8 v 2.24 10
1
x ( x ut ) y y z z u t ( t 2 x ) c
时空坐标的洛伦兹逆变换
1 u2 c 2
u c
第十二章 相对论简介 说明: (1)若 u >c， 无意义。|u| c 光速是物体运动的极限速度.
(2)
t t 时间与运动有关，与空间有关.
u
y S z
O
x
x
t t 0、x x 0, 发光
第十二章 相对论简介
对于S系而言，其波面(波前)到达(x，y，z)处所需
时间为：
t
x2 y2 z2 c
x 2 y 2 z 2 c 2t 2 0
对于S 系而言，其波面（波前）到达 ( x , y , z ) 处所需时间，根据光速不变原理得
成为 1981 1 0.9952 m 故得
(ln 2 / 2.2106 )1981 10.9952 / 0.995c
n n0 e
415
与前面结果相同.
第十二章 相对论简介 [例题2] 如图表示气泡室中一些
e
e
基本粒子的轨迹. 其中描写一 介
子与质子相碰产生其他粒子，图 中 K+ 即碰撞处。我们仅考虑它们 之中的K0粒子.它经d=110-1m 的 距离便衰变为两个具有相反电荷 的 介子.若 K0的速度为 v=2.24108m/s,试求其固有寿命.
[解] 子速率已达0.995c,非常接近
光速,应用相对论.但为了与经典观 点比较,先按经典的时空观求解,按
非相对论时空观，时间是绝对的,
因而 子运动时和静止的半衰期相 同,即亦为0 . 子降落时间为 t =1981/0. 995c
第十二章 相对论简介
n n0et
ln2 / 0
洛伽利略变换.
(3) 若 |u|<<c, 1, 0
第十二章 相对论简介
（三） 洛伦兹变换蕴含的时空观
1.同时的相对性
S中 : 两件事 ( x1 , t1 ), ( x2 , t 2 ) Δt t 2 t1 Δx x2 x1
t1 S中 : Δt ' t 2
§12.1 狭义相对论的历史背景
（一） 麦克斯韦方程建立引起的问题 （二） 菲索与迈克耳孙—莫雷实验 （三） 关于相对性原理的思考
第十二章 相对论简介
§12.1 狭义相对论的历史背景
（一） 麦克斯韦方程建立引起的问题
1865年麦克斯韦预言了电磁波的存在. 机械波的传播介质是弹性连续介质.
电磁波的传播介质？——以太(Aether)
第十二章 相对论简介
目
§12.1 §12.2 §12.3 §12.4 §12.5 §12.6
录
狭义相对论的历史背景 洛伦兹变换 相对论的速度变换 相对论的动量和能量 广义相对性原理 引力场与弯曲时空
第十二章 相对论简介
教学重点难点
重点：洛伦兹变换和质能关系定律
难点：狭义相对论的时空观。
第十二章 相对论简介
经典力学是建立在绝对时空观的基之上. 爱因斯坦建立了相对论时空观.
第十二章 相对论简介
§12.2 洛伦兹变换
（一） 狭义相对论的基本假设 （二） 洛伦兹变换 （三） 洛伦兹变换蕴含的时空观 （四） 尺缩钟慢的实验检验
第十二章 相对论简介
§12.2 洛伦兹变换
（一） 狭义相对论的基本假设
1. 相对性原理 物理定律在所有惯性系中都是同形的，因此各
2
1 vz v z u 1 2 v x c
2
正变换
逆变换
第十二章 相对论简介
若火箭 u 0.9c,
则v x
v v y 0, v x 0.9c, z 0
v x u 0.9c 0.9c uv x 1 0.9 0.9 1 2 c
0.9945 c c
27
n 563 e
(ln 2 / 2106 )1981/ 0.995c
即仅有27个 子到达海平面,与实验结果不合. 现在运用相对论研究.首先以地球为参考系, 子运动 时间仍为 t =1981/0.995c.但因动钟变慢,运动的 介子 的半衰期应为
0 / 1 2
l
2l
Δt t1 t2
l v2 c c2
第十二章 相对论简介 将干涉仪转90，得
2l v 2Δt c c2
条纹的移动. 实验结果：无条纹的移动.
2
时间差的改变，对应光程差的改变，从而引起干涉
迈克耳孙－莫雷实验否定了“以太”的存在.
第十二章 相对论简介
（三） 关于相对性原理的思考
第十二章 相对论简介
u t (t 2 x ) c dt d u (1 u v ) ( t 2 x ) 2 x c dt dt c
1 dt dt 1 u v 2 x c
2
代入（12.3.1）式中得
vx u v' x u 1 2 vx c
菲涅尔研究介质对其中光速的影响实验结果
c c kv n
k 11/ n
2
第十二章 相对论简介
c [例题] 试用相对论证明 c kv n
k 1 1 / n2
[解] 按折射率与光速关系,光在静止介质中的光速
为c/n .又因介质运动和光传播同方向或相反,由洛
伦兹速度变换,得
个惯性系中都是等价的，不存在特殊的绝对惯性系. 或：物理定律在所有惯性系中具有数学形式不 变性，即协变性. 2. 光速不变原理 所有的惯性系中，光在真空中的传播速率具有 相同的值c .
c 2.99792458 108 m s 1
第十二章 相对论简介
（二） 洛伦兹变换
洛伦兹变换——新的时空变换关系,该变换满足： （1）光速不变原理和狭义相对性原理; （2）当物体运动速率远小于真空中的光速时，新 的变换关系能使伽利略变换重新成立. S S y y u y S O O z z x x z O
1 2 Δt
即运动时大于固有时，或说运动的时钟变慢了.
第十二章 相对论简介
（四） 尺缩钟慢的实验检验
[例题1] 有文献报道在高为1981m的山顶上测得563个 子进入大气层,在海平面测得408个.示意如图12.5. 已知 子下降速率为0.995c，c表示真空中光速.试解释上述测 得结果.
x 2 y 2 z 2 t c
x2 y2 z2 c 2t 2 0
第十二章 相对论简介
根据相对性原理知 ，新的时空关系必须是线
性的，这样才能保证在S系的匀速直线运动，在S 系也是匀速直线运动，可推导得
时空坐标的洛伦兹变换
其中
x ( x ut ) y y z z u t (t 2 x ) c
c c v
(可测) (已知) (推知)
第十二章 相对论简介 M1 S
*
G
T 干涉条纹
M2
地球相对以太的速度 （公转速度）
v
光沿①(GM2)往返一次的时间为
2 2l 1 l l 2 l v ( ) t1 (1 2 ) 2 2 c 1 v / c cv cv c c
②
不同时
Δx 0 Δt 0 Δt ＝0
即只有在S中同时同地点的事件，在S 中才是同时的. u Δt ＝0 ③ Δt 2 Δx c
即在S系中不同时刻，不同地点的两事件，在S 中有
可能同时. ④对于有因果关系的两个事件，时间顺序不会颠倒.
第十二章 相对论简介 2.运动的杆缩短 静长度(固有长度)——相对观察者静止时的长度 l0. 当棒相对观察者以 u 运动时，观测长度 l=? 设棒与S 系固定, u为x方向, 棒相对于S 的长度为
第十二章 相对论简介
vx u v' x u 1 2 vx c
1 v' y vy u 1 2 vx c