6-1狭义相对论的产生-两个基本原理
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1.空间、时间的测量是相对的，与参考系 的选择有关.
2.时间—空间不互相独立， 而是不可分割的整体.
3.光速 c 是建立不同惯性系间时空变换 的纽带.
例题
例1 在地面上测得两个飞船分别以 0.9和c 0.9的c 速度向相反方向飞行。求其中一飞船 相对于另一飞船的速度为多大？
y
0.9c
甲
o
y'
0.9c
（1）空间间隔（长度）、时间间隔、物体质量及 相互作用力是与参考系无关的绝对量；
（2）物体的位置、速度、动量和动能则是与参考系 有关的相对量。对于两个相对作匀速直线运动的 参考系，物体的位置、速度关系遵从伽利略变换；
（3）在所有参考系中，惯性系占有特殊地位。 牛顿运动定律，能量、动量、角动量定理及其守恒定 律只在惯性系中成立。这些力学规律在Galileo变换下
NO. 6-1
Chapter 14 Relativity
(Special Theory of Relativity) 狭义相对论
2009－3－24
狭义相对论研究：
事件何时发生？在哪里发生？ 事件之间相隔多远？相隔多久？ 时间和空间有关联吗？ 物体的质量与运动有关吗？
狭义相对论的一些结论：
长度收缩（Length Contraction）
二 洛伦兹变换关系
2. The Relativity of Velocities (速度的相对性)
u
x
ux
1
v c2
v u
x
u
y
uy 1
1
v c2
ux
2
x' (x ct)
y' y
z' z t' (t x)
c
u z
uz 1 2
1
v c2
ux
—— 速度变换
第十四章 相对论 三 狭义相对论时空观
Galileo速度变换式正确，电磁学规律不符合相 对性原理。光速只在一特殊参考系（绝对参考 系）—— 以太中保持不变。
Albert Einstein 1905
1. 《关于光的产生和转化的一个试探性观点》； 光量子 → 光电效应
2. 《热的分子动理论所要求的静 止液体中悬浮粒子的运动》； 布朗运动 → 原子真实存在
例题
4. 子是一种不稳定的粒子，当它静止时，平均寿
命为 2106s ，过后即衰变为一个 电子和一个中
微子。宇宙射线在大气上层产生 子的速度极大，
可达 v 0.998c
。如果没有时间延缓效应，它
们从产生到衰变的一段时间里平均走过的距离只
有 600m，这样， 子就不可能到达地面。但实际 上， 子可穿透大气9000多米。这是由于
在某一惯性系中同时发生的两个事件，在另一
y' 个相v对它运动的惯性系中y，并y' 不一v定同时发生
1
o' 12
9
3
6
212 x'来自936
1
o o' 12
12
9
39
3
6
6
2
12 x' x 9 3
6
第十四章 相对论
三 狭义相对论时空观
2. Time Dilation（时间延缓）
s
ys'
y'
u
o o'
d
' 3.16 105s
1 v 2 c
l 2.994108 3.16105 9500m
今日作业
14－5， 14－10， 14－11
狭义相对论的一些结论：
时间延缓（Time Dilation ）
狭义相对论的一些结论：
相对论多普勒效应（Relativistic Doppler Effect）
从三个方面讨论狭义相对论：
两个基本原理 （假设，postulates）
相对论时空观 相对论动力学
第十四章 相对论
一 狭义相对论的产生
1. 绝对时空观 与 力学相对性原理
保持形式不变。 —— 力学相对性原理
第十四章 相对论
一 狭义相对论的产生
2. 电磁学发展及其与绝对时空观的矛盾
（1）电磁学规律：
Maxwell 方程组 光在真空中 c 1 2.998108 m/s
00
（2）电磁学规律与绝对时空观的矛盾
真空中光速不变与Galileo速度变换式； Maxwell 方程组不满足相对性原理。 （3）矛盾的解决 电磁学规律正确，需建立新的时空变换关系；
o'
x'
乙
x
第十四章 相对论
三 狭义相对论时空观
1. The Relativity of Simultaneity（同时的相对性）
（1）同时（Simultaneity）：1905年论文中写道：比如我们
说“那列火车7点钟到达这里”，其意思是说“我
的表的短针指在7和火车到达是同时事件”
（2）同时的相对性（The Relativity of ） Simultaneity
12
9 6 3 x'
B
x
y
s
x1
o 12
12
9
3
6
d
x2
12 x
9
3
9
3
6
6
The Proper Time（原时、固有时）t0
某一参考系中同一地点发生的两事件的
时间间隔.
Time Dilation: t t' t0
1 2
1 2
例题
2. 一飞船以 v 9103 m/s 的速率相对于地面（假定 为惯性系）匀速飞行。飞船上的钟走了5s时间，用 地面上的钟测量则经过了多长时间？
例题
3. 带正电的 介子是一种不稳定的粒子，当它静止 时，平均寿命为 2.5108s ，过后即衰变为一个 介 子和一个中微子。今产生一束 介子，在实验室测
得它的速率为v 0.99c，问它在衰变前能通过的平
均50m的距离吗？
Two tests of time dilation:
Microscopic clocks:
物理规律在所有的惯性系中具有相同的表达 形式． （The laws of physics are the same for observers in all inertial reference frames.）
（2）光速不变原理（The Speed of Light Postulate）
真空中的光速是常量，与光源或观测者的运动
3. 《论运动物体的电动力学》； 狭义相对论 → 时空观的革命
4. 《物质的质量同它所含的能量相关吗？》； E=mc2 → 核能的利用
第十四章 相对论
一 狭义相对论的产生
3.两个基本原理（Two Postulates of Special
Theory of Relativity）
（1）相对性原理（The Relativity Postulate）
Production and decay of subatomic particles
Macroscopic clocks
1977.10, Joseph Hafele and Richard Keating flow on four portable atomic clocks twice around the world commercial airlines.
无关。（The speed of light in vacuum has the
same value c in all directions and in all inertial reference frames.）
第十四章 相对论
二 洛伦兹变换关系
1. The Lorentz Transformation
s
y
s'
y'
v
——坐标变换
o o'
z z'
* P (x, y, z,t)
(x', y', z',t')
x x'
1 1 2
v
c
x' x vt
x' (x ct)
The Galieo
y' y
Transformation z' z
t' t
v c
y' y
z' z
t' (t x)
c
第十四章 相对论
2.时间—空间不互相独立， 而是不可分割的整体.
3.光速 c 是建立不同惯性系间时空变换 的纽带.
例题
例1 在地面上测得两个飞船分别以 0.9和c 0.9的c 速度向相反方向飞行。求其中一飞船 相对于另一飞船的速度为多大？
y
0.9c
甲
o
y'
0.9c
（1）空间间隔（长度）、时间间隔、物体质量及 相互作用力是与参考系无关的绝对量；
（2）物体的位置、速度、动量和动能则是与参考系 有关的相对量。对于两个相对作匀速直线运动的 参考系，物体的位置、速度关系遵从伽利略变换；
（3）在所有参考系中，惯性系占有特殊地位。 牛顿运动定律，能量、动量、角动量定理及其守恒定 律只在惯性系中成立。这些力学规律在Galileo变换下
NO. 6-1
Chapter 14 Relativity
(Special Theory of Relativity) 狭义相对论
2009－3－24
狭义相对论研究：
事件何时发生？在哪里发生？ 事件之间相隔多远？相隔多久？ 时间和空间有关联吗？ 物体的质量与运动有关吗？
狭义相对论的一些结论：
长度收缩（Length Contraction）
二 洛伦兹变换关系
2. The Relativity of Velocities (速度的相对性)
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—— 速度变换
第十四章 相对论 三 狭义相对论时空观
Galileo速度变换式正确，电磁学规律不符合相 对性原理。光速只在一特殊参考系（绝对参考 系）—— 以太中保持不变。
Albert Einstein 1905
1. 《关于光的产生和转化的一个试探性观点》； 光量子 → 光电效应
2. 《热的分子动理论所要求的静 止液体中悬浮粒子的运动》； 布朗运动 → 原子真实存在
例题
4. 子是一种不稳定的粒子，当它静止时，平均寿
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微子。宇宙射线在大气上层产生 子的速度极大，
可达 v 0.998c
。如果没有时间延缓效应，它
们从产生到衰变的一段时间里平均走过的距离只
有 600m，这样， 子就不可能到达地面。但实际 上， 子可穿透大气9000多米。这是由于
在某一惯性系中同时发生的两个事件，在另一
y' 个相v对它运动的惯性系中y，并y' 不一v定同时发生
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第十四章 相对论
三 狭义相对论时空观
2. Time Dilation（时间延缓）
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y'
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1 v 2 c
l 2.994108 3.16105 9500m
今日作业
14－5， 14－10， 14－11
狭义相对论的一些结论：
时间延缓（Time Dilation ）
狭义相对论的一些结论：
相对论多普勒效应（Relativistic Doppler Effect）
从三个方面讨论狭义相对论：
两个基本原理 （假设，postulates）
相对论时空观 相对论动力学
第十四章 相对论
一 狭义相对论的产生
1. 绝对时空观 与 力学相对性原理
保持形式不变。 —— 力学相对性原理
第十四章 相对论
一 狭义相对论的产生
2. 电磁学发展及其与绝对时空观的矛盾
（1）电磁学规律：
Maxwell 方程组 光在真空中 c 1 2.998108 m/s
00
（2）电磁学规律与绝对时空观的矛盾
真空中光速不变与Galileo速度变换式； Maxwell 方程组不满足相对性原理。 （3）矛盾的解决 电磁学规律正确，需建立新的时空变换关系；
o'
x'
乙
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第十四章 相对论
三 狭义相对论时空观
1. The Relativity of Simultaneity（同时的相对性）
（1）同时（Simultaneity）：1905年论文中写道：比如我们
说“那列火车7点钟到达这里”，其意思是说“我
的表的短针指在7和火车到达是同时事件”
（2）同时的相对性（The Relativity of ） Simultaneity
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某一参考系中同一地点发生的两事件的
时间间隔.
Time Dilation: t t' t0
1 2
1 2
例题
2. 一飞船以 v 9103 m/s 的速率相对于地面（假定 为惯性系）匀速飞行。飞船上的钟走了5s时间，用 地面上的钟测量则经过了多长时间？
例题
3. 带正电的 介子是一种不稳定的粒子，当它静止 时，平均寿命为 2.5108s ，过后即衰变为一个 介 子和一个中微子。今产生一束 介子，在实验室测
得它的速率为v 0.99c，问它在衰变前能通过的平
均50m的距离吗？
Two tests of time dilation:
Microscopic clocks:
物理规律在所有的惯性系中具有相同的表达 形式． （The laws of physics are the same for observers in all inertial reference frames.）
（2）光速不变原理（The Speed of Light Postulate）
真空中的光速是常量，与光源或观测者的运动
3. 《论运动物体的电动力学》； 狭义相对论 → 时空观的革命
4. 《物质的质量同它所含的能量相关吗？》； E=mc2 → 核能的利用
第十四章 相对论
一 狭义相对论的产生
3.两个基本原理（Two Postulates of Special
Theory of Relativity）
（1）相对性原理（The Relativity Postulate）
Production and decay of subatomic particles
Macroscopic clocks
1977.10, Joseph Hafele and Richard Keating flow on four portable atomic clocks twice around the world commercial airlines.
无关。（The speed of light in vacuum has the
same value c in all directions and in all inertial reference frames.）
第十四章 相对论
二 洛伦兹变换关系
1. The Lorentz Transformation
s
y
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y'
v
——坐标变换
o o'
z z'
* P (x, y, z,t)
(x', y', z',t')
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1 1 2
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x' (x ct)
The Galieo
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Transformation z' z
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c
第十四章 相对论