第十七章狭义相对论基础PPT课件
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——Galileo力学相对性原理的推广。
（2）光速不变原理：光在真空中总是以确 定的速度 c 传播。
——光速有各向同性，光速与频率无关，与光源运 动无关，与观察者所处惯性系无关。
14
电磁场规律可导出电磁波（光波）满足的波动方程为
2E 2E 2E 1 2E
0
x2 y2 z2 c2 t2
EE(r)costcr
t t
x x
11
Galileo变换是建立在经典时空观基础上的变换式：绝对空 间、绝对时间、时空独立无关。
Galileo变换可导出Galileo相对性原理：
tt dtdtvxd d x td d x td d x tud d ttvxu
v x v x u v y v y
ax ax
ay a y
3
2.二十世纪物理学天空的两朵乌云：
1）以太是否存在？迈克 尔逊-莫雷实验结果否定 了以太的存在； 2）经典电磁理论对热 辐射解释的失败。
4
驱散这两朵乌云导致： 相对论的诞生！ 量子论的诞生！ 相对论和量子论是现代科学的两大基石，没
有它们，就没有今天的文明。
5
本章主要内容
§17.1 牛顿相对性原理和Galileo变换 §17.2 Einstein相对性原理和光速不变 §17.3 Lorentz变换 §17.4 同时性的相对性和时间延缓 §17.5 长度收缩 §17.6 相对论速度变换(了解） §17.7 相对论质量 §17.9 相对论动能 §17.10 相对论能量 §17.11 动量和能量的关系
6
第17章 狭义相对论基础
1905年6月， A. Einstein发表 了长论文《论动体的电动力学》， 完整地提出了狭义相对性理论，即 狭义相对论。它是区别于牛顿时空 观的一种新的时空理论。
狭义（特殊）——只适用于惯 性参照系。
相对论和量子论是近代物理学的两大基础理论。
7
狭义相对论的产生背景
19世纪末到20世纪初，人们发现了许多与经典物理学理论 相抵触的实验事实：
15
§17.3 Lorentz 变换
Lorentz Transformation
16
Lorentz变换
设 S和 S为两惯性系，对应的坐标 x和 x、 y和 y 、 z
和 z 分别平行； S相对于 S 以的速率 u沿 x的正向运动；当
tt0时，两原点O 和O 重合。 y y
若在 S系中观察一事件，
2）x射线的发现：伦琴（德国）1895年11月8日。第 一荣获诺贝尔物理学奖的科学家。重要意义：
X射线是什么？电磁波还是粒子？ 重大的应用价值。
2
3）放射性的发现：贝克勒尔（法国）和居里夫人 （波兰）。重要意义：
打开原子核的大门，原子核 会分裂； 原子武器和原子能。
能量
总之，这些发现向我们打开了一个全新的世界。
狭 义 相 对 论
A.爱因斯坦(1879-1955)
二十世纪最伟大的自然科学家,物理学革命的旗手。
(1921年获诺贝尔物理学奖)
1
1. 二十世纪的重大发现：
1）电子的发现：J.J.汤姆逊（英国）和 A.密立根（美国）。重要意义：
打开了原子世界的大门， 为比氢原子更小的粒子----第一个基本粒子。
电子
即
a
a
v
z
vz
a
z
az
因 FF,m m ，故
Fma和
F ma同时成立。
12
§17.2 Einstein相对性 原理和光速不变
Einstein’s Principle of Relativity and Constancy of Light Velocity
13
狭义相对论的基本假设：
（1）相对性原理：一切物理定律在所有惯 性系中的形式保持不变。
tt0时，两原点O 和O 重合。 y y
若在S 系中观察一事件， 时空坐标为 (x, y, z,t) ，在 S
S S u
系中观察为 (x,y,z,t)，则： z z O O
x x ut
y y
z z
t t
逆变换：
x x ut
(x,y,z,t)
y y z z
(x, y, z,t)
由此得出两个公设：相对性原理和光速不变原理
8
§17.1 牛顿相对性原理 和Galileo变换
Galilean Principle of Relativity and Galilean Transformation
9
Galileo相对性原理
在任何惯性参照系中，力学基本定律（牛顿定律） 具有相同的形式。或：力学规律在所有惯性系中都是 等价的。
（1）运动物体的电磁感应现象 （2）真空中电磁场方程在Galileo变换下不是协变的。 （3）地球相对于“光媒质”（以太）运动的速度得到否定 结果，直接冲击经典时空观。
Einstein深入思考这些问题，认为：（1）电磁场是独立的 实体，不存在“以太”——不存在绝对的空间；（2）电磁场 的规律适用于任何不同的惯性系；（3）同时性具有相对意 义——不存在绝对的时间。
c1 00 2.998108m/s
波的传播速度
矛盾
电磁场理论本身要求c是物理常数，即与参照系无关。
经典时空观下利用来自百度文库变换，波速与参照系的选取有关：
u cu
c
相对绝对空间（恒星）
相相对对地地球球
u cu
电磁场方程不满足G变换！
Einstein认为：电磁场的规律应满足相对性原理（作为物 理常数的c也不随参照系变）；绝对时空不存在； G变换是错 误的。
S S
时空坐标为 (x, y, z,t)，在 S
u
系中观察 (x,y,z,t)为：
x ( x ut )
z z O O
y y
z z
t
(t
u c2
x)
其中 1
1u2 c2
x x
17
由光速不变原理推导Lorentz变换
（1）由空间均匀性，变换是线性的 y y
x a11x a12 y a13z a14t
y a21x a22 y a23z a24t
z a31x a32 y a33z a34t
Newton的绝对空间和绝对时间
绝对空间，就其本质而言，与外界任何事物无关， 而永远是相同的和不动的。
绝对的、真正的、数学的时间，自己流逝着，并由 于它的本性而均匀地、与任何外界对象无关地流逝着。
10
Galileo时空变换
设 S和 S为两惯性系，对应的坐标 x和 x、 y和 y 、 z
和 z 分别平行； S相对于 S 以的速率 u沿 x的正向运动；当
（2）光速不变原理：光在真空中总是以确 定的速度 c 传播。
——光速有各向同性，光速与频率无关，与光源运 动无关，与观察者所处惯性系无关。
14
电磁场规律可导出电磁波（光波）满足的波动方程为
2E 2E 2E 1 2E
0
x2 y2 z2 c2 t2
EE(r)costcr
t t
x x
11
Galileo变换是建立在经典时空观基础上的变换式：绝对空 间、绝对时间、时空独立无关。
Galileo变换可导出Galileo相对性原理：
tt dtdtvxd d x td d x td d x tud d ttvxu
v x v x u v y v y
ax ax
ay a y
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2.二十世纪物理学天空的两朵乌云：
1）以太是否存在？迈克 尔逊-莫雷实验结果否定 了以太的存在； 2）经典电磁理论对热 辐射解释的失败。
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驱散这两朵乌云导致： 相对论的诞生！ 量子论的诞生！ 相对论和量子论是现代科学的两大基石，没
有它们，就没有今天的文明。
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本章主要内容
§17.1 牛顿相对性原理和Galileo变换 §17.2 Einstein相对性原理和光速不变 §17.3 Lorentz变换 §17.4 同时性的相对性和时间延缓 §17.5 长度收缩 §17.6 相对论速度变换(了解） §17.7 相对论质量 §17.9 相对论动能 §17.10 相对论能量 §17.11 动量和能量的关系
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第17章 狭义相对论基础
1905年6月， A. Einstein发表 了长论文《论动体的电动力学》， 完整地提出了狭义相对性理论，即 狭义相对论。它是区别于牛顿时空 观的一种新的时空理论。
狭义（特殊）——只适用于惯 性参照系。
相对论和量子论是近代物理学的两大基础理论。
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狭义相对论的产生背景
19世纪末到20世纪初，人们发现了许多与经典物理学理论 相抵触的实验事实：
15
§17.3 Lorentz 变换
Lorentz Transformation
16
Lorentz变换
设 S和 S为两惯性系，对应的坐标 x和 x、 y和 y 、 z
和 z 分别平行； S相对于 S 以的速率 u沿 x的正向运动；当
tt0时，两原点O 和O 重合。 y y
若在 S系中观察一事件，
2）x射线的发现：伦琴（德国）1895年11月8日。第 一荣获诺贝尔物理学奖的科学家。重要意义：
X射线是什么？电磁波还是粒子？ 重大的应用价值。
2
3）放射性的发现：贝克勒尔（法国）和居里夫人 （波兰）。重要意义：
打开原子核的大门，原子核 会分裂； 原子武器和原子能。
能量
总之，这些发现向我们打开了一个全新的世界。
狭 义 相 对 论
A.爱因斯坦(1879-1955)
二十世纪最伟大的自然科学家,物理学革命的旗手。
(1921年获诺贝尔物理学奖)
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1. 二十世纪的重大发现：
1）电子的发现：J.J.汤姆逊（英国）和 A.密立根（美国）。重要意义：
打开了原子世界的大门， 为比氢原子更小的粒子----第一个基本粒子。
电子
即
a
a
v
z
vz
a
z
az
因 FF,m m ，故
Fma和
F ma同时成立。
12
§17.2 Einstein相对性 原理和光速不变
Einstein’s Principle of Relativity and Constancy of Light Velocity
13
狭义相对论的基本假设：
（1）相对性原理：一切物理定律在所有惯 性系中的形式保持不变。
tt0时，两原点O 和O 重合。 y y
若在S 系中观察一事件， 时空坐标为 (x, y, z,t) ，在 S
S S u
系中观察为 (x,y,z,t)，则： z z O O
x x ut
y y
z z
t t
逆变换：
x x ut
(x,y,z,t)
y y z z
(x, y, z,t)
由此得出两个公设：相对性原理和光速不变原理
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§17.1 牛顿相对性原理 和Galileo变换
Galilean Principle of Relativity and Galilean Transformation
9
Galileo相对性原理
在任何惯性参照系中，力学基本定律（牛顿定律） 具有相同的形式。或：力学规律在所有惯性系中都是 等价的。
（1）运动物体的电磁感应现象 （2）真空中电磁场方程在Galileo变换下不是协变的。 （3）地球相对于“光媒质”（以太）运动的速度得到否定 结果，直接冲击经典时空观。
Einstein深入思考这些问题，认为：（1）电磁场是独立的 实体，不存在“以太”——不存在绝对的空间；（2）电磁场 的规律适用于任何不同的惯性系；（3）同时性具有相对意 义——不存在绝对的时间。
c1 00 2.998108m/s
波的传播速度
矛盾
电磁场理论本身要求c是物理常数，即与参照系无关。
经典时空观下利用来自百度文库变换，波速与参照系的选取有关：
u cu
c
相对绝对空间（恒星）
相相对对地地球球
u cu
电磁场方程不满足G变换！
Einstein认为：电磁场的规律应满足相对性原理（作为物 理常数的c也不随参照系变）；绝对时空不存在； G变换是错 误的。
S S
时空坐标为 (x, y, z,t)，在 S
u
系中观察 (x,y,z,t)为：
x ( x ut )
z z O O
y y
z z
t
(t
u c2
x)
其中 1
1u2 c2
x x
17
由光速不变原理推导Lorentz变换
（1）由空间均匀性，变换是线性的 y y
x a11x a12 y a13z a14t
y a21x a22 y a23z a24t
z a31x a32 y a33z a34t
Newton的绝对空间和绝对时间
绝对空间，就其本质而言，与外界任何事物无关， 而永远是相同的和不动的。
绝对的、真正的、数学的时间，自己流逝着，并由 于它的本性而均匀地、与任何外界对象无关地流逝着。
10
Galileo时空变换
设 S和 S为两惯性系，对应的坐标 x和 x、 y和 y 、 z
和 z 分别平行； S相对于 S 以的速率 u沿 x的正向运动；当