第1章狭义相对论力学基础
大学物理狭义相对论基础全部内容
伽利略 变换
洛仑兹 变换
实验检验
绝对时空观
狭义相对论时空观 比 较
相对论动力学基础
广义相对论时空观
学时： 8 （狭义相对论）; 自学*广义相对论简介
重点： 狭义相对论的两条基本原理 洛仑兹坐标变换 狭义相对论时空观（“同时”的相对性、钟慢尺缩） 质速关系，质能关系，能量与动量关系
难点： 狭义相对论时空观 *广义相对论的两条基本原理 *时空的几何化，空间弯曲
—— 牛顿
即：时间先于运动存在。没有时间，无法描述运动； 而没有运动，时间照样存在和流逝。
2. 空间：用以表征物质及其运动的广延性
空间测量：刚性尺 国际单位：米
光在真空中 29979241秒58的时间间隔内传播的
距离。
长度的测量：
长度 = 在与长度方向平行的坐标轴上，物体两端 坐标值之差 注意：当物体静止时，两端坐标不一定同时记录；
物理学家感到自豪而满足，两个事例：
在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要 做一些零碎的修补工作就行了。也就是在测量数据的 小数点后面添加几位有效数字而已。
——开尔芬（1899年除夕）
理论物理实际上已经完成了，所有的微分方程都 已经解出，青年人不值得选择一种将来不会有任何 发展的事去做。
——约利致普朗克的信
同学们好！
物理书都充满了复 杂的数学公式。可是 思想及理念，而非公 式，才是每一物理理 论的开端。
－－爱因斯坦
《物理学的进化》
阿尔伯特.爱因斯坦（1879 — 1955）
?
第八章 狭义相对论 *广义相对论简介
力学相对性原理 对称性扩展
狭义相对性原理 光速不变原理 对称性扩展 广义相对性原理 等效原理
物理学中的狭义相对论
物理学中的狭义相对论狭义相对论是物理学中的一种理论，由阿尔伯特·爱因斯坦于1905年提出。
这一理论在物理学领域中产生了深远的影响，对于我们对宇宙和时间的理解起着重要的作用。
本文将介绍狭义相对论的基本原理、重要概念以及实验验证。
狭义相对论的基本原理是以光速不变原理为基础的。
该原理认为，在任何参考系中，光速始终保持不变，无论观察者自身是否运动。
这一原理颠覆了牛顿力学中的时间和空间的观念，推翻了牛顿力学的绝对时间和绝对空间的概念。
狭义相对论引入了一种新的观念，即事件的顺序是相对的，并且与观察者的运动状态有关。
例如，当两个事件发生在相同的地点，然而观测者的速度不同时，他们对这两个事件的时间顺序可能是不同的。
这被称为时间相对性。
除了时间相对性，空间相对性也是狭义相对论的重要概念。
根据相对论，当观察者以接近光速的速度运动时，他们对空间的测量也会受到影响。
观察者的长度测量将发生变化，这被称为长度收缩效应。
而观察者的时间也会发生变化，这被称为时间膨胀效应。
这些效应违背了我们在低速下的直觉，但在实验中得到了证实。
狭义相对论还引进了著名的质能关系公式E=mc²。
这个公式表明了质量与能量之间的等价关系。
根据狭义相对论，质量不再是一个固定的量，而是随着物体的速度变化而变化。
当物体的速度接近光速时，其质量将无限增加，从而需要无限的能量才能达到光速。
这也解释了为什么在我们的常规经验中，我们无法达到或超越光速的原因。
狭义相对论的概念和预测已经在实验中得到了广泛的验证。
例如，著名的双子星实验展示了时间膨胀效应。
实验中，一个人在地球上停留，另一个人乘坐一艘接近光速的飞船飞行一段时间后返回地球。
两个人之间的时间差异得到了证实，证明了时间相对性的存在。
此外，GPS（全球定位系统）的运作也是使用到了狭义相对论的原理。
由于卫星在地球周围以高速运动，需要考虑到时间膨胀和长度收缩的效应，以确保精确的定位。
总而言之，狭义相对论是物理学中一套关于时间和空间的理论。
【大学物理】第一讲 狭义相对论基本原理 洛伦仑兹变换
v
G M1 G
ll t1 c v c v
c(1
2l v2
c2)
M2
M1
s G v T
G M2
c
- v
c2 v2
M2
-
v
c
G
c2 v2
（从 s'系看）
GM 2 GM 1 l
G
M2
G
t2 c
2l 1 v2
c2
t1
2l c(1 v2
c2) ,
2l
t2 c
1 v2
c2
两束光到达望远镜的时间差为
cv
1
vc c2
c
光速不变
光速在任何惯性 系中均为同一常量， 利用它可将时间测量 与距离测量联系起来.
§1.2 洛伦兹变换
寻找新的时空变换式来代替经典力学伽利略变换。
必需满足条件： （1）物理学定律都应该保持数学表达式不变。 （2）真空中光速在一切惯性系中保持不变。 （3）在低速运动条件下可转化为伽利略变换。
设 t t 0 时，o, o
重合 ; 同一事件 P 的
时空坐标如图所示。
s y s' y' v
t
t1
t2
2l
v2
c
1
c2
2l
v2
c
1
c2
1
2
=
2l c
1
v2 c2v2源自1 2c2v << c
t l v2 c c2
两束光汇合时的光程差为 ct l v2
c2
整个仪器旋转90度，那么两束光在前后两次测量
中光程差的该变量为
N 2 2l v2
狭义相对论的基本原理PPT课件
个光信号。 经一段时间，光传到 P点。
我们可以把光到达P点看作一个事件。而事件是在一 定的空间和时间中发生的，可以用时空坐标来表示。
S P x,y,z,t 寻找 对同一客观事件，两
个参照系中相应的坐
S P x ,y,z,t
标值之间的关系。
.
4
1.洛仑兹坐标变换 •由光速不变原理：
x2y2z2c2t2 (1 )
S S u
P
xx O O’ ’
x 2y 2 z2 c2 t2(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 yy zz
•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 xt (3 )上述四式，利用比较
例2、设想一飞船以0.80c的速度在地球上空飞行， 如果 这时从飞船上沿速度方向抛出一物体，物体 相对飞船速 度为0.90c 。问：从地面上看，物体速度多大？
解： 选飞船参照系为S’系。 地面参照系为S系。
S S’ u
u0.80 c vx 0.90c
X(X’)
由洛仑兹速度变换关系可得：
vx
vx u
1
u c2
v x
0.90c0.80c 10.800.90
0.99c
.
13
下面我们来考察空间中的两个不同事件。
3.两个事件的时空关系
对于不同的两个事件：
S
事件1
(x1 , t1 )
事件2
x2,t2
S
x1 ,t1
x2 ,t2
两事件时间间隔 t t2t1 tt2 t1
狭义相对论两条基本原理
狭义相对论两条基本原理狭义相对论是研究时空和物质之间相互关系的一个理论。
它由爱因斯坦提出，被认为是现代物理学的核心之一。
狭义相对论的基础是“两条基本原理”，这两条原理是理解相对论的关键。
第一条基本原理：相对性原理相对性原理指出，所有物理定律的形式在不同参考系中是相同的。
换句话说，物理规律不依赖于任何特定的参考系。
这意味着在不同的参考系中，相同的物理实验应该得到相同的结果。
这个原理的根据是实验的事实，即无法通过实验来确定一个特定的参考系的存在或优越性。
这个原理打破了牛顿力学中的绝对时间和空间的观念。
光速不变原理指出，在所有的惯性参考系中，光速保持不变。
这意味着无论光源的运动状态如何，光速始终为常数，并且在任何惯性参考系中都是相同的。
这个原理是狭义相对论的核心之一，它意味着光速不仅仅是一个测量的速度，它还具有一种本质的特性。
两条基本原理的狭义相对性原理告诉我们，物理现象的描述不仅依赖于它们在时空中的位置和相对运动，还依赖于观察者的观测方式。
在相对论中，时间和空间不再是独立的维度。
取而代之的是，时空被统一为一个四维的结构，称为时空维，其中时间和空间是相互联系的。
时空维的性质限制了物体和能量的运动方式，影响了我们对它们的认识和理解。
狭义相对论的发现不仅改变了我们对时间和空间的观念，也影响了产生新的技术和应用。
总之，狭义相对论的两条基本原理，即相对性原理和光速不变原理，揭示了物理规律与观察者的相对运动有关，这在当时引起了轰动。
这个理论没有只被视为一个学科的进展，而是深入到了我们对自然科学的理解和对它的解释。
它的成果更直接参与到了我们对宇宙和人类进化历程的解述和解读之中。
狭义相对论两个基本原理
狭义相对论两个基本原理第一个基本原理是相对性原理。
相对性原理包含两部分：相对性原理的运动学形式和相对性原理的动力学形式。
相对性原理的运动学形式指出，物理定律在所有等速运动的参考系中都成立，而不论这些参考系之间的相对运动如何。
也就是说，在相对于以一些速度作匀速直线运动的参考系而言，物理现象的规律也同样适用于以其他任意速度作匀速直线运动的参考系中。
这个原理的实质是：物体的运动状态有多种可能，而它们都以相对其他物体的速度来描述。
相对性原理的动力学形式表明，在不受力的惯性系中，物体的运动状态是匀速直线运动或静止。
这意味着，不受力的物体会保持它们的运动状态不变。
从更广义的角度来看，这个原理还暗示了所有非重力的力都必须等效于参考系的运动。
第二个基本原理是光速不变原理。
光速不变原理指出，光在真空中的传播速度对于所有的惯性观察者来说都是相同的，无论观察者的速度如何。
换句话说，不论观察者是静止的还是以任何速度相对于光源运动，他们都会测得光速相同。
这与我们通常对速度相加的直觉不同，但实验证据已经证明了这一点。
这两个基本原理构成了狭义相对论的基础，对于我们理解时空的结构有重要的意义。
首先，相对性原理的运动学形式告诉我们，物体的运动状态是相对性的，即与观察者的运动状态有关。
这进一步推动了我们对时空结构的重新认识，引出了后来对时空几何的研究。
其次，相对性原理的动力学形式告诉我们，仅仅通过观察物体的运动状态，我们无法区分出它们所处的参考系。
这导致了狭义相对论中的质能关系，即质量和能量之间的等效性。
质能关系的著名公式E=mc²描述了质量和能量之间的转换关系，它在核物理和粒子物理研究中具有重要的应用。
综上所述，狭义相对论建立在两个基本原理之上：相对性原理和光速不变原理。
这两个原理引导了我们对物体运动方式和时空结构的新认识，对当代物理学的发展产生了深远的影响。
狭义相对论基础
2.经典力学时空观
据伽利略变换，可得到经典时空观 （1）同时的绝对性
在同一参照系中，两个事件同时发生 据伽利略变换，在另一参照系中， 在其他惯性系中，两个事件也一定同时发生。
同时的绝对性。
经典力学时空观
（2）时间间隔的测量是绝对的 在同一参照系中，两个事件先后发生，其间隔为
据伽利略变换，
ax
ax
du dt
ay a y
vz vz
az az
ax a x ay a y az az
逆
vx vx u vy vy
ax
ax
du dt
a y ay
a x ax 惯性系 a y ay
vz vz
az az
a z az
狭义相对论基础
8.1 经典力学的相对原理和时空观
一. 经典力学的相对性原理
力学现象对所有惯性系，都遵循同样的规律
研究力学规律时，所有的惯性系都是等价的
静止
物块 匀速 以车子为参照系
静止
以地球为参照系 匀速运动
两者的运动规律是相同的 合外力F=0
伽利略相对性原理
两个参考系（约定系统）
如图，S，S'相应坐
hv0 c
e0
hv e
c
电子
x
mv
相对论动力学基础
证明：在图中，入射光子的能量和动量分别为
和
,与物质中质量为m0的静止自由电子发生碰撞
。碰撞后，设光子散射开去而和原来入射方向成 角
，这时它的能量和动量分别变为 和
和 代表在光子运动方向的单位矢量。
与此同时电子向着某一角度的方向飞去，它的能 量和动量分别变为 mc2 和
狭义相对论基本原理
狭义相对论基本原理
狭义相对论是爱因斯坦在1905年提出的一种描述时间、空间和物质相互关系
的理论。
它是相对论的最初形式，主要是对于惯性参照系内的物理现象进行描述的。
狭义相对论的基本原理主要包括了相对性原理和光速不变原理。
相对性原理是狭义相对论的核心内容之一，它指出在任何匀速直线运动的参照
系中，物理定律的形式是相同的。
也就是说，无论处于何种匀速直线运动的参照系中，物理定律都是相同的。
这一原理的提出颠覆了牛顿力学中绝对时空观念的基础，揭示了时间和空间的相对性。
光速不变原理是狭义相对论的另一个基本原理，它指出光在真空中的传播速度
是恒定不变的，与光源或观察者的运动状态无关。
这一原理的提出是基于迈克耳孙-莫雷实验的结果，它揭示了光速在不同参照系中的不变性，进一步加强了相对性
原理的观点。
狭义相对论的基本原理在物理学中产生了深远的影响，它彻底改变了人们对时间、空间和物质的观念。
首先，相对性原理揭示了时间和空间的相对性，打破了绝对时空观念，为后来的广义相对论奠定了基础。
其次，光速不变原理揭示了光速在不同参照系中的恒定不变，为后来的量子力学和粒子物理学提供了重要的理论支持。
总的来说，狭义相对论的基本原理是现代物理学的重要基石，它揭示了时间、
空间和物质之间微妙的相互关系，为人类对于宇宙的认识提供了重要的理论支持。
相对性原理和光速不变原理的提出，不仅颠覆了经典物理学的观念，也为后来的物理学发展提供了重要的启示和指导。
因此，狭义相对论的基本原理对于现代物理学的发展具有重要的意义，它将继续影响着人类对于宇宙的探索和认识。