狭义相对论的两个基本假设 3时间、长度的相对性
狭义相对论基础
上帝看了一下：这是普遍的相对 可是其中有些特别的相对
於是上帝將造——弗之孫， 弗之孫就要統一起來：
他將培出一種理論，
把所有一切歸於統一，
但已是第七天了，
上帝休息了，
靜者止於靜，靜者恆靜。
§14.1 伽利略相对性原理和伽利略变换
主要内容：
1. 伽利略相对性原理 2. 伽利略变换 3. 经典力学的绝对时空观 4. 经典力学的局限性
x'2 y'2 z'2 c2t2
将(2)式与前边的(1)式联立，有
所以
a11 a21
x'
1 1u2 c2 u c2 1u2 c2
x ut 1u2 /c2
a12
u 1u2 c2
a22
1 1u2 c2
t'
t
u c2
x
1u2 c2
2. 洛仑兹变换 将四个求得的a11, a12, a21, a22系数代入设定的变换式，有
矢量式
v'x vz'
v v
x z
u
vy'vy
v v u
对伽利略速度变换式求导可得伽利略加速度变换式
矢量式
ax ay
' '
ax ay
aaz' aaz
3. 牛顿定律具有伽利略变换不变性
在牛顿力学中
•力与参考系无关 •质量与运动无关
F' m'
mFF（S系m）a
（S F
m系）a
➢ 讨论
1. 伽利略变换说明了同一事件在两个惯性系中时空坐标之间 的关系。
甲
爆发中抛射物的速度 u 1500km s1
tB tA 25 年 光速不服从经典力学的速度变换定理
狭义相对论
3、能动关系
E 2 ( pc)2 (m0c2 )2
光子
p E / c mc2 / c mc
A
A
D
B
增加
mvl
不守恒 不守恒 守恒
解： (1) M I M Fr 98 0.2 39.2 rad / s 2
(2) I I A Fs 98 5 490 Nm 1 2 I 2 0.5 Ek Ek 0 Ek A 490 kgm2 / s 2 Ek 2 Ek 2 490 99 rad / s I 0.5
二、洛仑兹变换
SS u
O
O
同一事件： ( x, t ), ( x, t )
x , t
x, t
x
当u<<c，伽利略变换 x x ut x x ut 一般情况，时空变换的最简单形式为
x
x ( x ut ) x ( x ut ) 1， 1 要求 u c 时：
于是，得
x x t c , tc
x ( x ut )
u 1 1－ 2 c
2
因要求 u c 时 1 ，则取
1 1－ u c
2 2
－洛仑兹因子
用式 x ( x ut ) 代入，得
1 x x 由式 x ( x ut ) ，解出 t u
1 u 2 c 2 5 9 10 1 8 310
3 2
5.000000002s
时间延缓效应的实验验证
子的寿命实验
子在高空大气顶层形成，静止平均寿命为
2.1510－6s，速率为 0.995c. 若无时间膨胀效应 ，只能走640m就消失了，地面观测不到。
狭义相对论
狭义相对论狭义相对论是爱因斯坦在1905年提出的一种物理学理论，它主要研究的是在匀速直线运动的参考系中，时间和空间的变化规律。
下面将从四个方面详细回答这个问题。
一、狭义相对论的基本假设狭义相对论的基本假设有两个：一是物理定律在所有惯性参考系中都是相同的，即物理学的基本规律具有相对性；二是光速在真空中是不变的，即光速是一个普遍不变的常数。
二、狭义相对论的主要内容狭义相对论的主要内容包括以下几个方面：1. 时间的相对性：不同的惯性参考系中，时间的流逝速度是不同的，即时间是相对的。
2. 长度的相对性：不同的惯性参考系中，长度的测量值是不同的，即长度也是相对的。
3. 质量的变化：物体的质量随着速度的增加而增加，当物体的速度趋近于光速时，质量无限增大。
4. 能量的等效性：质量和能量是可以相互转化的，质量可以转化为能量，能量也可以转化为质量。
三、狭义相对论的实验验证狭义相对论的假设和内容在很多实验中都得到了验证，例如：1. 米歇尔逊-莫雷实验：实验证明了光速在不同方向上的测量结果是相同的，即光速是不变的。
2. 布拉格实验：实验证明了快速运动的电子具有更大的质量，证明了质量的变化。
3. 电子加速器实验：实验证明了质子在高速运动时具有更大的质量，证明了质量的变化。
四、狭义相对论的应用狭义相对论在现代物理学中有着广泛的应用，例如：1. GPS导航系统：GPS导航系统需要考虑相对论效应，才能准确测量卫星和接收器之间的距离。
2. 粒子物理学：狭义相对论对粒子物理学的研究有着重要的影响，例如粒子加速器和粒子探测器的设计和使用。
3. 核能技术：狭义相对论对核能技术的发展也有着重要的推动作用，例如核反应堆的设计和核武器的制造。
总之，狭义相对论是现代物理学的基础之一，它的理论和实验研究对于我们对自然界的认识和技术的发展都有着重要的影响。
4.3 狭义相对论基本原理 相对时空观
Guangxi university
S
y S' O
u y' O' c c c x' c x
在S系中, 若按伽利略变换: 往左:v=c-u 往右:v=c+u
Guangxi university
讨论：
1 Einstein 的相对性理论 是 Newton理论的发展 一切物理规律 力学规律
解1：以地面为参照系 介子寿命延长。 用经典时空观 介子所走路程
y 0.998c 0 8 6 y 0.998 3 10 2.15 10 644(m )
还没到达地面，就已经衰变了。但实际探测 仪器不仅在地面，甚至在地下 3km 深的矿井 中也测到了 介子。
Guangxi university
S
S
u
弟 a. e f 弟 0 .
x
x
x
) 花开事件：( x, t1 S 系x处发生两个事件 ) ( x, t 2 花谢事件：
t1 （寿命） t t2
在S系中观察者测量花的寿命是多少？
Guangxi university
S
第三节
狭义相对论基本原理 相对时空观
Guangxi university
返回
一、 狭义相对论的两条基本原理
爱因斯坦在1905年发表的《论动体的电动力学》 论文中提出了狭义相对论两条基本原理 1.相对性原理
所有物理规律在一切惯性系中都具有相同形式。 （所有惯性系都是平权的，在它们之中所有物理规 律都一样） 2.光速不变原理
2 光速不变与伽利略变换 与伽利略的速度相加原理不相容
狭义相对论总结
第12章 狭义相对论基础一、狭义相对论的两个基本假设1 相对性原理 一切物理规律在任何惯性系中形式相同（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 。
二、洛伦兹变换设'0t t ==时，,'o o 重合，事P 的时空坐标如图所示：(),,,S P x y z t 在中，(),,,S P x y z t '''''在中对同一客观事件两个参考系中相应的坐标值之间的关系：正变换 2221()1()x ut x u cy yz z ux t c t u c-'=-'='=-'=- 逆变换2221()1()x ut x u cy y z z ux t c t u c ''+=-'='=''+=- 三、狭义相对论时空观1、时间膨胀 在某惯性系中发生于同一地点的两个事件的时间间隔(原时)，总是小于在另一相对运动惯性系中测到的时间间隔。
（其它说法：“原时最短”or “运动的时钟变慢”）22'11t t τββ∆∆==--（0't t τ∆>∆=固有时间）注意：固有时间0τ：同一地点的两个事件的时间间隔（最短） 2、长度收缩 在某惯性系中一根静止棒的长度(原长或静长),总是大于在沿棒长方向运动的惯性系中测到的长度（其它说法：“原长最长”或“纵向运动的棒变短”）()00l l l=<其中，l为固有长度或原长，即在相对静止的惯性系中所测得的棒长度；l为动长，即在相对运动的惯性系中所测得的棒长度注意，若物体体积在不同惯性系下的关系跟上述长度收缩的式子类似，即()00V V V=<其中，V为相对静止的惯性系中所测得的物体体积，V为相对运动的惯性系中所测得的物体体积*四、狭义相对论动力学基础1、质速关系m=其中，m为动质量，m为静质量2、质能关系1）质点的总能量2E mc=2）质点的静止能量200E m c=3）质点的动能2200kE E E mc m c=-=-3、相对论能量和动量的关系2222E P c E=+。
高中物理第五章相对论第一节狭义相对论的基本原理第二节时空相对性学案含解析粤教版选修
第一节 狭义相对论的基本原理第二节 时空相对性的科学探究思想和逻辑推理方法．一、伽利略相对性原理：力学规律在任何惯性系中都是相同的． 二、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，一切物理规律都是相同的； 2．光速不变原理真空中的光速在不同的惯性参考系中是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系．三、时间和空间的相对性 1．“同时”的相对性 “同时”是相对的．在一个参考系中看来“同时”的，在另一个参考系中却可能“不同时”的．2．长度的相对性一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比静止时的长度小．即l ′＝l 01－(v c)2式中l 是沿杆运动方向的长度，l 0是杆静止时的长度．3．时间间隔的相对性 从地面上观察，高速运动的飞船上时间进程变慢，飞船上的人则感觉地面上的时间进程变慢．Δt ′＝Δt1－(v c)2式中Δt ′是运动的参考系中测得的两事件的时间间隔，Δt 是静止的参考系中测得的两事件的时间间隔．四、相对论的时空观 1．经典物理学的时空观经典物理学认为时间和空间是脱离物质而存在的，是绝对的，时间和空间之间也是没有联系的．2．相对论的时空观相对论认为有物质才有时间和空间，时间和空间与物质的运动状态有关，因而时间与空间并不是相互独立的．预习交流学生讨论：什么是惯性系？什么是非惯性系？答案：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．一、对狭义相对论的两个基本假设的理解1．如何理解经典相对性原理？答案：（1）惯性系：如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系叫做惯性系，相对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）这里的力学规律是指“经典力学规律”．（3）本原理可以有不同表示，比如：在一个惯性系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否对于另一个惯性系做匀速直线运动；或者说，任何惯性参考系都是平权的．2．对光速不变原理如何理解？答案：我们经常讲速度是相对的，参考系选取不同，速度也不同，这是经典力学中速度的概念，但是1887年迈克耳孙—莫雷实验中证明的结论是：不论取怎样的参考系，光速都是一样的，也就是说光速的大小与选取的参考系无关，光的速度是从麦克斯韦方程组中推导出来的，它没有任何前提条件，所以这个速度不是指相对某个参考系的速度．3．学生讨论：试述当经典力学时空观遇到光速不变的实验事实这一困难时，爱因斯坦是如何解决的，它的意义如何．答案：爱因斯坦提出了两条基本假设即爱因斯坦相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的．“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．两条基本假设的提出解决了光速不变的困难．同时为狭义相对论的建立奠定了基础，使得人们的时空观发生了重大的变革，使得看似毫无联系的时间与空间紧密地联系在了一起．分析下列几种说法：（1）所有惯性系统对物理基本规律都是等价的．（2）在真空中，光的速度与光的频率、光源的运动状态无关．（3）在任何惯性系中，光在真空中沿任何方向的传播速度都相同．关于上述说法（）．A．只有（1）（2）是正确的B．只有（1）（3）是正确的C．只有（2）（3）是正确的D．三种说法都是正确的答案：D解析：狭义相对论认为：物体所具有的一些物理量可以因所选参考系的不同而不同，但它们在不同的参考系中所遵从的物理规律却是相同的，即（1）（2）都是正确的．“光速不变原理”认为：在不同的惯性参考系中，光在真空中沿任何方向的传播速度都是相同的．（3）正确．对两个基本原理的正确理解：1．自然规律不仅包括力学规律，还包括电磁学规律等其他所有的物理学规律．2．强调真空中的光速不变，指大小既不依赖于光源或观察者的运动，也不依赖于光的传播方向．3．几十年来科学家采用各种先进的物理技术测量光速，结果都不违背光速不变原理．二、对“同时”相对性的理解1．怎样理解同时的相对性？答案：同时是指两个事件发生的时刻是相同的，“相同”是观察者得出的结论，不同的观察者观察到的结果是不“相同”的．2．怎样理解时间间隔的相对性？答案：运动的时钟变慢：时钟相对于观察者静止时，走得快；相对于观察者运动时，观察者会看到它变慢了，运动速度越快，效果越明显，即运动着的时钟变慢．3．怎样理解经典时空观与相对论时空观的区别？答案：经典力学时空观：绝对的真实的数学时间，就其本质而言，是永远均匀地流逝，与任何外界无关；绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的，它从不运动，并且永远不变．经典力学时空观的几个具体结论：（1）同时的绝对性：在一个参考系中的观察者在某一时刻观测到两个事件．对另一参考系中的观察者来说是同时发生的，即同时性与观察者做匀速直线运动的状态无关．（2）时间间隔的绝对性：任何事件所经历的时间，在不同的参考系中测量都是相同的，而与参考系的运动无关．（3）空间距离的绝对性：如果各个参考系中用来测量长度的标准相同，那么空间两点的距离也就有绝对不变的量值，而与参考系的选择无关．相对论时空观：空间的大小、时间流逝的快慢都与物体运动的速度有关．4．如图所示：车厢长为L，正以速度v匀速向右运动，车厢底面光滑，两只完全相同的小球，从车厢中点以相同的速率v0相对于车厢分别向前后匀速运动．（1）在车厢内的观察者看来，两球是否同时到达两壁？（2）在地面上的观察者看来，两球是否同时到达两壁？答案：（1）在车厢内的观察者看来，两球同时到达两壁．（2）在地面上的观察者看来，两球不同时到达两壁．解析：（1）在车上的观察者看来，A球经时间t A＝L 2v0＝L2v0到达后壁，B球经时间t B＝L2v0＝L2v0到达前壁，因此两球同时到达前后壁．（2）在地面上的观察者看来，A球经时间t A′＝L 2v0＋v ＝L2(v0＋v)到达后壁，B球经时间t B′＝L2v0－v＝L2(v0－v)到达前壁，因此两球不同时到达前后壁．如图所示，在地面上M点固定一光源，在离光源等距离的A、B两点上固定有两个光接收器，今使光源发出一闪光，问：（1）在地面参考系中观测，谁先接收到光信号？（2）在沿AB方向高速运动的火车参考系中观测，谁先接收到光信号？答案：（1）同时收到（2）B先接收到解析：（1）因光源离A、B两点等距，光向A、B两点传播的速度相等，则光到达A、B 两点，所需要的时间相等，即在地面参考系中观测，两接收器同时收到光信号．（2）对于火车参考系来说，光源和A、B两接收器都沿BA方向运动，当光源发出的光向A、B传播时，A和B都沿BA方向运动了一段距离到达A′，B′，如图所示，所以光到达A′的距离长，到达B′的距离短，即在火车参考系中观测，B比A先收到光信号．1．经典物理学认为，同时发生的两件事在任何参考系中观察，结果都是同时的．2．相对论观点认为，“同时”是相对的，在一个参考系中看来是“同时”的，在另一个参考系中却可能是“不同时”的．三、长度的相对性如图所示，地面上的人看到杆的M 、N 两端发出的光同时到达他的眼睛，他读出N 、M 的坐标之差为l ，即地面上的观察者测得杆的长度为l 0，若在向右匀速运动的车上的观察者测得的杆长为l ，则l 和l 0是否相等？为什么？答案：不相等，l 0＞l ，因为车上的观察者看到N 端先发光，而M 端后发光，车上的观察者测得的长度l 比地上的观察者测得的长度l 0小，这是因为同时的相对性导致了长度的相对性．严格的数学推导告诉我们l 0和l 之间的关系为l ＝l 01－(vc)2，可见总有l ＜l 0．在一飞船上测得飞船的长度为100 m ，高度为10 m ．当飞船以0.60c 的速度从你身边经过时，按你的测量，飞船有多高、多长？答案：10 m 80 m解析：因为长度收缩只发生在运动的方向上，与运动垂直的方向上没有这种效应，故测得的飞船的高度仍为原来高度10 m ．设飞船原长为l 0，观测到飞船的长度为l ，则根据尺缩效应有l ＝l 01－(v c )2＝100×1－(0.6c c)2m ＝80 m所以观测到飞船的高度和长度分别为10 m 、80 m ．1．在垂直于运动方向上，杆的长度没有变化．2．这种长度的变化是相对的，如果两条平行的杆在沿自己的长度方向上做相对运动，与它们一起运动的两位观察者都会认为对方的杆缩短了．3．由l ＝l 01－(v c)2知v 越小长度的变化越小．四、时间间隔的相对性一列高速火车上发生两个事件：假定车厢上安装着一个墨水罐，它每隔一定时间滴出一滴墨水．墨水在t 1、t 2两个时刻在地上形成P 、Q 两个墨点，设车上的观察者测得两事件间隔为Δt ，地面上的观察者测得两事件间隔为Δt ′，车厢匀速前进的速度为v ，试比较Δt ′和Δt 的大小．答案：Δt ＞Δt ′解析：车上观察者认为两个事件的时间间隔：Δt ＝t 2－t 1地面观察者认为两个事件的时间间隔：Δt ′＝t 2′－t 1′ 根据公式l ＝l 01－(v c)2，通过一定的数学推导可以得出：Δt ′＝Δt1－(v c)2，即Δt ＞Δt ′一对孪生兄弟，出生后甲乘高速飞船去旅行，测量出自己飞行30年回到地面上，乙在地面上生活，问甲回来时30岁，乙这时是多少岁？（已知飞船速度v ＝32c ）答案：60岁解析：飞船中的甲经时间Δt ′＝30年，地面上的乙经过的时间为Δt ＝Δt ′1－(v c)2＝301－(32c c)2年＝60年，可见乙这时60岁了． 1．由“同时”的相对性引起了长度的相对性．从而引起了时间的相对性．2．由Δt ′＝Δt1－(v c)2知，v 越大，Δt ′越短．1．某地发生洪涝灾害，灾情紧急，特派一飞机前往，飞机在某高度做匀速直线运动，投放一包救急品，灾民看到物品做曲线运动，飞行员看到物品做自由落体运动，物品刚好落到灾民救济处，根据经典时空观，则下列说法正确的是（ ）．A ．飞机为非惯性参考系B ．飞机为惯性参考系C ．灾民为非惯性参考系D ．灾民为惯性参考系 答案：BD解析：物品投放后，仅受重力作用，飞行员是初速度为零的自由落体运动，符合牛顿运动定律，故飞机为惯性参考系，B 对；而地面上的人员看物品做初速度不为零的抛体运动，也符合牛顿运动定律，D 也对．2．如图所示，强强乘速度为0.9c （c 为真空中的光速）的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c ，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为（ ）．A ．0.4cB ．0.5cC ．0.9cD ．1.0c答案：D解析：根据爱因斯坦的狭义相对论，在一切惯性系中，光在真空中的传播速度都等于c ．故选项D 正确．3．麦克耳孙—莫雷实验说明了以下哪些结论（ ）． A ．以太不存在B ．光速的合成满足经典力学法则C ．光速不变D ．光速是相对的，与参考系的选取有关答案：AC解析：麦克耳孙—莫雷实验证明了光速不变的原理，同时也说明以太是不存在的． 4．假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，车内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是（ ）．A ．这个人是一个矮胖子B ．这个人是一个瘦高个子C ．这个人矮但不胖D ．这个人瘦但不高 答案：D解析：取路旁的人为惯性系，车上的人相对于路旁的人高速运动，根据尺缩效应，人在运动方向上将变窄，但在垂直于运动方向上没有发生变化，故选D ．5．以8 km/s 的速度运行的人造卫星上一只完好的手表走过了1 min ，地面上的人认为它走过这1 min“实际”上花了多少时间？答案：（1＋3.6×10－10）min解析：卫星上观测到的时间为Δt ′＝1 min ，卫星运动的速度v ＝8×103m/s ，所以地面上观测到的时间为Δt ＝Δt ′1－v 2c 2＝11－(8×1033×108)2min＝（1＋3.6×10－10）min ．。
狭义相对论的原理及应用
狭义相对论的原理及应用一、狭义相对论的概述狭义相对论是由爱因斯坦于1905年提出的一种极为重要的物理学理论。
它是相对论的最基本形式，描述了高速物体的运动与相互作用的规律。
狭义相对论基于两个基本假设：光速不变原理和等效原理。
光速不变原理指出光在真空中的速度是恒定不变的，不受光源和接收者之间相对运动的影响；等效原理则认为在世界各点的小区域内，被看作自由下落的参考系与独立运动的参考系具有等效性。
二、狭义相对论的原理狭义相对论的原理主要包括： 1. 相对性原理：物理学的定律在各个惯性参考系中成立； 2. 光速不变原理：光在真空中的速度对于所有惯性参考系都是常数； 3. 相对论动力学：物体的运动规律在高速情况下需要通过洛伦兹变换进行修正。
三、狭义相对论的应用狭义相对论在现代物理学中有着广泛的应用，下面列举了一些常见的应用：1. 时间膨胀效应（Time dilation）时间膨胀是指当物体相对于观察者以接近光速的速度运动时，观察者会感受到时间的变慢。
这一效应在实际应用中被广泛使用，例如在卫星导航系统中进行时间校正。
2. 长度收缩效应（Length contraction）长度收缩是指当物体相对于观察者以接近光速的速度运动时，观察者会感受到物体的长度变短。
这一效应在粒子加速器等实验中的设计和运行过程中必须考虑。
3. 质能关系（Mass-energy equivalence）质能关系是狭义相对论的核心之一，它表明质量和能量是可以相互转化的。
著名的方程E=mc²就是质能关系的体现。
这一原理的应用包括核能的释放和恒星的能量来源等。
4. 狭义相对论的电动力学（Electrodynamics）狭义相对论对经典电动力学进行了修正和推广，引入了洛伦兹变换和电磁场的相对论形式。
这一理论的应用包括研究高速粒子与电磁场的相互作用，以及光的传播等。
5. 狭义相对论在宇宙学中的应用狭义相对论在宇宙学中扮演着重要的角色。
它提供了描述宇宙大尺度结构和演化的理论框架，例如宇宙背景辐射的起源和宇宙膨胀的理论模型等。
大学物理曲晓波-第6章 狭义相对论
x
x u t 1 u2 /c2
洛 仑
y
y
兹 z z
逆 变 换
t
t
ux c2
1 u2 /c2
洛伦兹逆变换只是把洛伦兹变换中的u→ - u，x与x’，
y与y’，z与z’交换位置。
说明：
①洛伦兹变换表示同一事件在不同惯性系中时空坐标的变换关系。 规定每个惯性系使用对该系统为静止的时钟和尺进行量度。
在所有惯性系中，物理定律的表达形式都相同。这就是爱因 斯坦相对性原理，即相对性原理。
此原理说明所有惯性系对于描述物理规律都是等价的，不存 在特殊的惯性系。可以看出，爱因斯坦相对性原理是力学相对 性原理的推广。
由此可得出，在任何惯性系中进行物理实验，其结果都是一 样的，运动的描述只有相对意义，而绝对静止的参考系是不存 在的。因此不论设计力学实验，还是电磁学实验，去寻找某惯 性系的绝对速度是没有意义的。
S 系v 中 x d d x t,v y d d y t,v z d d z t
v
x
vx 1
u
uvx c2
速 度 变 换
v
y
vy
1 u2 /c2
1
uvx c2
v
z
vz
1 u2 /c2
1
uvx c2
vx
v
x
1
u
u v x c2
速 度 逆 变 换
v
y
v
y
1 u2 /c2Biblioteka 1u v x c2
vz
v
z
1 u2 /c2
1
u v x c2
讨论：
①当u,v（vx,vy,vz)远小于光速ｃ时，相对论速度变换式退化
狭义相对论简介
1 m0 v 2 2
1 2 Ek m0 v 2
这就是我们过去熟悉
的动能表达式，这也能让 我们看出，牛顿力学是相 对论力学在低速情况下的 特例．
补充:相对论中动量和能量的关系
E mc 2
消去速度v
m0c 2 1 v / c
2 2
p mv
m0 v 1 v2 / c2
• 19世纪末的经典物理
– 牛顿力学——17世纪后期建立(牛顿、哈密顿、 拉格朗日等） – 电磁学理论——19世纪中期建立（法拉第、麦 克斯韦） – 热力学与统计物理——18世纪末到19世纪末建 立（卡诺、焦耳、克劳修斯、麦克斯韦等）
一、矛盾的出现:
经典的相对性原理（伽利略相对性原理）：
相对于一个惯性系作匀速直线运动的一切参考系 都是惯性系，即：对于物理学规律来说，一切惯性系 都是等价的。
Ek E E0
Ek m0 c 2 v 1 c
2
E mc
2
m0 c
2
2
E0 m0c 2
v 1 c
v 1 c
1v 1 2c
2
2
Ek
1 v m0 c 2 m0 c 2 m0 c 2 2 c 1v 1 2c
2
∆t
∆ t'
1 v / c
2
更严格的推导表明， 此式子具有普遍的意义。
由于运动，火车上的时间进程变慢了，即其中一切 物理化学进程，乃至观察者自己的生命节奏都变缓了， 但车上的人没有感觉，反而认为地面上的进程慢了。
一个惯性系中，运动的钟比静止的钟走 的慢，这种效应叫爱因斯坦时间延缓或时 间膨胀，又叫钟慢效应。
狭义相对论基本变换公式
t 2 d 2 (vt)2 2 d2 (vt)2 2d 1 (v )2 ( t )2
c
c
c
c t
t t'
1
v2 c2
( t )2 t
t
t
1
v2 c2
我们对于同一个过程算出的时间不一样都是因为认定了光速相对于你我都是c，这样算出的 时间就是不一样的，加入我们认为光速相对于你我不是c是不是就能算出一样的时间来呢， 嗯，的确是的，但是光速在不同参考系中是不会变的，这受到了迈克尔逊莫雷实验以及后
v
v 1 v2 c2
1 v2 c2
这里有一个需要注意的问题：那就是通过尺缩效应容易得到空间坐标之间的变换关系，之 后，根据光速不变原理可以直接得到时间的关系，也算是第二种推导方法吧，那就是对于 一束光x2+y2+z2=c2t2,在第S'系中的坐标应该是x'2+y'2+z'2=c2t'2,既然光线的传播方程 具有这足这个关系，那么光速就不是不变的了，与假设矛盾，因此要这样求解。
运动参考系的空间坐标 在初始时刻，两个坐标系的原点重合，O=O',此时认为t=t'=0，将 钟对准。假如在另一个时刻将时空定格，空间中的一点在S系中是(x,y,z,t)，在S'系中是 (x',y',z',t')，我们的目标是测量出这两个坐标系之间的变换关系，根据引言可知， y=y',z=z'，这个是不变的，否则就违背了惯性系速度方向不变的假设。下面求x方向的坐 标变换关系。
x x ' vt 1 (v)2 c
根据这个长度的关系我们可以推导出时间的关系：
t 1 (x x
狭义相对论两个基本内容
狭义相对论两个基本内容狭义相对论是物理学上一个重要的理论，其基本内容可概括如下：1、宇宙中的任何两点都具有相对性。
2、物理定律是只有在一个特定速度的参照系中才有意义的，而这种参照系是可以被替换的，即可以从一种参照系转换到另一种参照系，以符合实际情况。
3、物理定律具有不变性。
这意味着，当我们从一种参照系转换到另一种参照系时，物理定律并不会改变，而只是表现或描述方式可能会发生变化。
4、时间和长度是不等的。
在不同的参照系中，时间的流逝会出现不同的现象，并且在不同的参照系中，物体的长度也会发生变化，以适应物理定律的变化。
5、物理定律的克利夫兰不变性。
这意味着，不管将物体从一种参照系转换到另一种参照系，物理定律所定义的结果都必须是一样的。
6、质能守恒定律也是一个重要定理，它指出，在基本观察实验中，质量和能量是相互转化的，且没有任何改变。
7、宇宙速度限制定律指出，任何物体不可能以光速以上的速度移动，因为其时间和距离可以瞬间转换，而这将违反相对论中的某些定理。
由上可见，狭义相对论的两个基本内容就是宇宙中的任何两点都具有相对性，物理定律具有不变性。
这两条定理是物理学中最重要的定理之一，比如说它们得到了阿尔伯特爱因斯坦在1905年发表的著名论文“极端光学”中的完善，其中包含着电磁学定律。
此外，它也被进一步应用到了宇宙膨胀，采用相对论中的定律来解释。
因此，简而言之，狭义相对论的两个基本内容是宇宙中任何两点相对性以及物理定律的不变性，它们都是物理学发展的重要基石，也是许多重大科学问题的梗概性的解释。
从宇宙的宏观层面来看，狭义相对论的两个基本内容是宇宙在宏观层面实现恒定发展和发展的重要动力。
它宣告了各种行星绕恒星公转的规律，也宣告了宇宙能量的保持不变，以及物理定律的不变性，所有这些都使得宇宙能够有序运转，实现恒定的发展。
在实际应用中，狭义相对论也发挥了重要作用。
比如在计算机科学和电子技术领域，相对论为计算机分析和电子发展提供了重要的认识，从而激励科学家们研发出了许多有效的相对定律。
爱因斯坦提出的狭义相对论的两条基本假设及其内容
爱因斯坦提出的狭义相对论的两条基本假设及其内容狭义相对论是爱因斯坦于1905年提出的一种关于时间和空间的理论，它颠覆了牛顿力学的传统观念，为后来的现代物理学奠定了基础。
狭义相对论的核心思想包括两条基本假设，也是其内容的基础：相对性原理和光速不变原理。
一、相对性原理相对性原理是狭义相对论的第一条基本假设，也是狭义相对论与牛顿力学的最大区别之一。
相对性原理指出，物理定律在所有惯性系中都是相同的。
简单来说，就是物理定律不会因观察者的运动状态而改变。
这一观念颠覆了以往人们对时空的传统认识，也是爱因斯坦提出狭义相对论的关键之一。
在相对性原理的基础上，爱因斯坦推导出了著名的时间对称性和长度收缩等相对论效应，进一步揭示了时间和空间的相对性。
这使狭义相对论成为一种能够解释微观世界现象的理论，也为后来的广义相对论和量子力学的发展提供了重要基础。
二、光速不变原理光速不变原理是狭义相对论的第二条基本假设，它指出光在真空中的传播速度是一个恒定不变的常数，即光速。
这一概念在牛顿力学中是无法解释的，但是它却为爱因斯坦提出的狭义相对论提供了一个坚实的基础。
光速不变原理的提出引发了人们对时间、空间、质量和能量等基本物理概念的重新思考。
爱因斯坦通过理论推导，得出了著名的质能关系方程E=mc^2，揭示了质量和能量之间的等价性，也为核能的释放和应用提供了理论基础。
总结回顾：狭义相对论的两条基本假设——相对性原理和光速不变原理，构成了狭义相对论的核心内容。
它们不仅在理论物理学和天文学中有着重大的应用，也影响了人们对时空结构的认识和科技的发展。
个人观点和理解：爱因斯坦提出的狭义相对论的两条基本假设打破了传统的物理观念，为人类对宇宙和科学的理解开辟了新的方向。
这些相对论的基本原理不仅在学术和科研领域有着深远的影响，也影响了人们的生活和思维方式。
对于我来说，深入理解狭义相对论的基本概念和原理，不仅有助于拓展我的科学知识，也有助于我更深入地理解自然 laws.在本文中，我将结合相对性原理和光速不变原理，深入探讨爱因斯坦提出的狭义相对论的基本概念和原理，希望通过本文的阐述，能使读者更深入地理解这一重要的物理理论。
狭义相对论的基本原理
3)当 u « c 时，γ→1
x' (x ut)
正变换
y' y
回到伽利略变换
z' z
t' (t ux / c2 )
x x ut y y z z t t
4) u > c 变换无意义, 存在极限速度c .
5) 洛仑兹变换与伽利略变换相比，洛仑兹变换中的时 间坐标和空间坐标相互联系在一起 ，不再是独立的了 。时间与空间的测量都与参照系有关，这种新的时空 观叫做狭义相对论的时空观。
1
t' t ux / c2 (t ux / c2 ) 相对论因子
1 (v / c)2
这种变换是已知事件在S系中的时空坐标（x，y，z，
t）变换成事件在S/系中的时空坐标（x/，y/，z/，t/）
。这种变换称为坐标正变换。
6
由S/系到S系的逆坐标变换为：
S系
x'ut'
x
(x'ut')
x2 y2 z2 c2t 2 (1)
S
u
xx O O’ ’
x2 y2 z2 c2t2 (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 y y z z
•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 x t (3) 上述四式，利用比较
t x t
(4)
系数法，确定系数
。
5
最后得到洛仑兹坐标变换：
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
相对论动力学 广义相对论简介 相对论3
作 v2 ~ Ek 曲线
贝托齐电子极限速率实验（1962）
⎛ ⎛ E ⎜ 1−⎜ 1+ ＋ k ⎞ 2= ⎟ v ⎜ m c2 ⎟ ⎜ ⎜ ⎝ 0 ⎠ ⎝
−2 ⎞
－
⎟ c2 ⎟ ⎟ ⎠
实验结果： 电子极限速度等于真空中的光速
2、质能关系
E k = mc 2 − m0 c 2
爱因斯坦认为：E0 = m0 c2 为 静止能量
x
dE k = mv d v + v d m
2
由m=
m0 1− v / c
2 2
m (c −v )= m c
2 2 2
2 2 0
2 mc dm − 2 mv dm − 2 m vdv = 0
2 2 2
mv d v = (c − v ) d m
2 2
代入dEk表达式中
d Ek = c d m
2
由于物体从静止开始运动，两边积分
v
at
m
•
r a
an
r r r dm r F = m ( a n n + a tτ ) + v dt
r r r dm F = ma + v dt
dm r r r = ma n n + ma tτ + v τ dt
at
m
•
Ft
r v
r a
r F
r dm r r F = man n + ( mat + v )τ dt r r v
−u S
0
v′ = − u A
A
m′ A
v′ = u B
0′
B
x′
M′
狭义相对论的两个基本假设
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，一切物理规律都是相同的。
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。
二、广义相对论：
1、广义相对性原理和等效原理
①广义相对性原理：在任何参考性中，物理规律都是相同的；
②等效原理：一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。
2、广义相对论的几个结论
①物质的引力使光线发生弯曲；
②引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别；
③引力红移。
三、相对性原理：力学规律在任何惯性系中都是相同的。
四、时间和空间的相对性：
1、“同时”的相对性；
2、长度的相对性：，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：。
时间延缓效应：在静止系中，同一地点发生的两事件的时间间隔称为固有时间，即τ。
相对于物理事件运动的惯性系中测得两事件的时间间隔比固有时间长。
五、狭义相对论的其他结论：
1、相对论速度：车对地的速度为v，人对车得速度为u'，地面上的人看到车上人相对地面的速度为。
2、相对论质量：物体以速度v运动时的质量m与静止时的质量m0之间的关系：。
3、相对论能量——质能方程：。
相对论的基本原理和实验验证
相对论的基本原理和实验验证相对论是一门独具特色的物理学理论，由爱因斯坦于20世纪初提出。
相对论的基本原理包括狭义相对论和广义相对论，两者分别适用于相对运动和引力场的情况。
本文将介绍相对论的基本原理以及几个著名的实验验证。
1. 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理源于爱因斯坦对光速不变原理的思考。
即使在不同的参考系中，光速在真空中的传播速度都是恒定的。
根据这一原理，爱因斯坦提出了两个重要的理论基石：时间的相对性和长度的相对性。
相对论中的时间相对性指的是不同参考系中的时间流逝速度不同。
当两个物体相对运动时，它们的时间流逝速度会发生相对变化。
这种效应被称为时间膨胀。
一种著名的实验证明了时间膨胀的存在，即双子星实验。
假设有一对双胞胎，其中一个人飞离地球并以接近光速的速度飞行，然后返回地球。
结果表明，由于相对论效应，离开地球的双胞胎年龄相对于地球上的双胞胎来说要慢。
另一个狭义相对论中的基本原理是长度的相对性。
当物体相对运动时，其长度会发生压缩。
这种效应被称为长度收缩。
尽管在我们日常生活中无法感受到这种效应，但实验证明了它的存在。
例如，钟差实验中，两个相对运动的钟放置在静止状态的钟旁边。
结果显示，相对运动的钟因为长度收缩而比静止状态的钟慢。
2. 广义相对论的基本原理广义相对论基于弗里德曼提出的弯曲时空的概念，它描述了物体在强引力场中的运动。
广义相对论的核心原理是质量和能量会弯曲时空，从而影响到物体的运动轨迹。
广义相对论的一个重要预言是引力透镜效应。
引力透镜是指质量大的物体会弯曲周围的时空，类似于透镜将光线偏折一样。
这意味着光线经过质量大的物体附近时会发生偏折。
这一效应在1919年的日食观察中首次得到了验证，并且获得了公认。
除了引力透镜效应，还有一个重要的实验证明了广义相对论的存在，即时间延展效应。
根据广义相对论，强引力场中的时间流逝速度要比弱引力场中的时间流逝速度慢。
这一效应在1962年的实验中首次实验证实。
- 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)。
•
(1)经典物理学认为：时间的测量与参考系 ___ ___ ，即时无间关测量是____ __
的．
•
( 2 ) 狭 义绝相对对 论 的 时 空 观 认 为 ： 在 一 个 参 考 系 中 同 时 发 生 的 两 件 事 ， 在 另 一
参考系中__________发生，这就是同时的相对性．
不同时
• 2．运动时钟的变慢
• 【例2】 如图2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( )
图2
•A．同时被照亮 B．A先被照亮 •C．C先被照亮 D．无法判断 •解析 因列车沿AC方向接近光速行驶，根据同时的相对性，即前边的事件先发生， 后边的事件后发生可知C先被照亮． •答案 C
第1讲 牛顿力学中运动的相对性 第2讲 狭义相对论的两个基本假设
第3讲 时间、长度的相对性
•[目标定位] 1.了解牛顿力学中运动的相对性.2.了解伽利略相对性原理及其速度变换 公式.3.了解狭义相对论的两个基本假设.4.了解狭义相对论的几个主要结论.5.了解经 典时空观与相对论时空观的重要区别．
(
1－uc22＜1)．这一现象称为相对论长度收缩或洛伦兹收
缩，也常通俗地称为“动棒_缩__短___”．
• 4．相对论时空观
•
(1)时间和空间的量度都与物体的 ______有关，运是动______ 的．运动棒相的对长度
的测量建立在必须______进行观测的基础上，说明时间和空间的量度又是相互
__________的．
•
(1)定量计算
•
设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τ0，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 (2)定性描述
为
τ
，
则
τ
＝
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
≥
τ1τ0，－0 uuc是22相
对
运
动
的
观
察
者
的
速
率
．
•
同样的两件事，在它们发生于__________的参考系内所经历的时间最短；
• 图1
•
(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 ？ •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，而根据狭义相对论理论，光速是不变的，都应是c. •答案 (1)c (2)c (3)c
在其他参考系内观测，这段时间要______些．这一现象称为时间的相对性，也称
为“动钟变慢”．
同一地点
长
3．长度的相对性
(1)定量计算
如果与棒相对静止的人认为棒长为 l0，以速率 u 与棒相对运 动的人认为棒长为 l，则 l＝_l_0 ___1_－__uc_22_.
(2)定性描述
一 根 棒 在 _运__动___ 时 的 长 度 总 要 比 它 __静_止___ 时 的 长 度 小
• 二、狭义相对论的两个基本假设
• 1．爱因斯坦相对性原理
•
对
不
同的
惯
性
系
，
_
__
_物__理__规_律_ (包
括
_
_
_
_
_
_
的力和学_ _
_
_
_
_
的
)
都是一样
电磁
的
．
• 2．光速不变原理
•
光在真空中运动的速度在任何惯性参考系中测得的数值都是______的．
相同
• 三、时间、长度的相对性
• 1．同时的相对性
二、时间和长度的相对性
相对事件发生地或物体 相对事件发生地或物体运动的参
静止的参考系中观察 考系中观察
同时的相对性
事件同时发生
事件不同时发生Βιβλιοθήκη 两事件发生的时间间隔变大．τ＝
时间间隔的相 两个事件发生的时间间 τ0
对性
隔为 Δτ
1－uc22
长度的相对性
杆的长度为 l0
若参考系沿杆的方向运动，观察到 的杆的长度变小．l＝l0 1－uc22
• 【例3】 在一飞船上测得飞船的长度为100 m，高度为10 m．当飞船以0.6c的速 度从你身边经过时，按你的测量，飞船有多高、多长？
解析 因为长度收缩只发生在运动的方向上，与运动垂直
的方向上没有这种效应，故测得的飞船的高度仍为原来高
度 10 m．设飞船原长为 l0，观测到飞船的长度为 l，则 l＝
同时
•
(2)经典时空观是相对论时空观的特殊表现.
紧密联系
一、对狭义相对论的理解
• 1．各物理量有可能因为所选择参考系的不同而不同，但是它们遵从的物理规律是 相同的．
• 2．光速不变原理强调真空中的光速不变，与光源、观察者间的相对运动没有关 系．
• 【例1】 关于狭义相对论，下列说法不正确的是( )
米、毫米、微米、纳米等作为量度单位．
•
(3)时间和空间是相互______、互不相关的．
• 3．伽利略速度变换公式
•
若车厢相对地面以u 向前行独驶立，车厢内人相对车厢以速率 v ′向前跑，则人对
地面的速率为v＝__________；若人向车后跑时，相对地面的速率为v＝
__________.
u＋v′ u－v′
l0 1－vc2＝100×
1－0.c6c2 m＝80 m.
所以观测到飞船的高度和长度分别为 10 m、80 m.
答案 观测到飞船的高度和长度分别为 10 m、80 m.
• 一、牛顿力学中运动的相对性
• 1．伽利略相对性原理
• 描述． 在任何惯__性____参考系中，_____力_ 的学规律都是一样的，都可以用牛顿定律来
• 2．经典时空观
•
(1)时间：反映物质运动过程的______、久暂，常用年、月、日、时、分、
秒等作为量度单位．
长短
•
(2 )空间：代表物体的尺寸、大小，物体之间的 ______ 等，常用距光离年、千米、
•
A．狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的
•
B．狭义相对论认为在一切惯性系中，光在真空中的速度都等于c，与光源
的运动无关
•
C．狭义相对论只涉及无加速度运动的惯性系
•
D．狭义相对论任何情况下都适用
•
解析 由狭义相对论原理可知D错误．
•
答案 D
• 针对训练 如图1所示，考虑几个问题：