狭义相对论的基本原理
4.3 狭义相对论基本原理 相对时空观
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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
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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。
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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？
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S
第三节
狭义相对论基本原理 相对时空观
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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
2.1狭义相对论基本原理.pdf
速应该各向不等，因而可看到干涉条纹。再使整个仪器转过 900，就应该发现条纹的
移到，由条纹移动的总数，就可算出地球运动的速度 v。迈克尔孙—莫来实验的装置
如图 2-1-2 所示，使一束由光源 S 射来的平行光，到达对光线倾斜 450 角的半镀银镜
面 M 上，被分成两束互相垂直的相干光。其中透射部分沿 MM 2 方向前进，被镜 M 2 反 射回来，到 M 上，再部分地反射后沿 MT 进行；反射部分沿 MM1 方行进行，被镜反射
c 动，选 s ' 系固定在介质上，在 s ' 上观察，介质中的光速各方向都是 n ，所以光相对实
验室的速度 u 为
c +v c +v
u=
n
c v
=n 1+
v
1+ n
cn
c2
c + v 1 − v n cn
c +v− v
n
n2
=
c n
+
v1 −
1 n2
。
由此可知，由相对论的观点，根本不需要“以太”的假说，更谈不到曳引
c +v
c −v
传播速度为 n ，逆水为 n ；若水完全不带动以太，光对装置的速度顺逆水均为
c
c + kv
c − kv
n ；若部分被带动，令带动系数（曳引系数）为 k，则顺水为 n ，逆水为 n ，
k 多少由实验测定，这时两束光到达目镜 T 的时差为
t = 2l − 2l 4lkv
c − kv n
系数了。
迈克尔孙—莫来实验 迈克尔孙—莫来于 1887 年利用灵敏的
S
M1 M2
M T
图 2-1-2
简述狭义相对论的两条基本原理
简述狭义相对论的两条基本原理狭义相对论是20世纪物理学中发展最迅速、最具有影响力的理论之一，其背后的基本思想包括两条最基本的原理：“绝对空间与绝对时间的否定”和“平行光束的色散否定”。
一、绝对空间与绝对时间的否定绝对空间指的是在某一时刻所有物体都存在的某一统一的空间系统，称为“绝对空间”。
绝对时间则是指相对于某一唯一的时刻，所有物体都不变的某一种时间流动。
要衡量绝对时间在世界中的作用是很困难的，因为时间是一个抽象概念，而空间则是一种实际能被认识到的概念。
观察这两种概念，首先可以知道它们都具有一种普遍性，即每一时刻所有物体都受到相同的影响，时间虽然是唯一一种，但是却没有固定的框架。
卡普罗提出的狭义相对论的最基本原理就是否定绝对空间与绝对时间的存在，而提出一种新的空间时间概念，即相对空间时间概念，它建立在一种相对性的基础上，即在某一时刻、某一空间处，会有各种空间时间的变化，这些变化有着各自的特点，根据不同的物体表现出来的不同空间时间系统，构成了一个特殊的相对空间时间系统。
二、平行光束的色散否定在牛顿力学时代，经典物理学家们认为，空间中出现的任何事物都受到绝对空间和绝对时间的影响，特别是光的传播，均按照绝对空间的坐标系以及绝对时间的标准进行，于是人们也就直接认为光束在绝对空间中是不会受到色散的影响的。
但是随着卡普罗提出了相对论，人们发现，在惯性系统中光是可以色散的，并且表现出色散现象的光束也是有特定原因的：其中一个原因就是光束本身正在同时受到重力场与时空弯曲的双重作用，而这就是导致光色散的原因，这也就是“平行光束的色散否定”的基本思想。
总结而言，以上就是狭义相对论的两条基本原理：“绝对空间与绝对时间的否定”和“平行光束的色散否定”，它们是狭义相对论建立的基础，也是其他物理学发展的基础，对于人们了解宇宙的奥秘具有重要的意义。
狭义相对论的原理
狭义相对论的原理狭义相对论的原理狭义相对论是爱因斯坦于1905年提出的一种物理学理论，它是描述物质和能量之间关系的一种理论。
狭义相对论的原理可以分为以下几个方面：一、光速不变原理光速不变原理是狭义相对论的核心原理之一。
它认为在任何惯性参考系中，光速都是恒定不变的，即无论光源和观察者相对运动的状态如何，光速都保持不变。
这个原理可以用以下公式来表示：c = λf其中c代表光速，λ代表波长，f代表频率。
这个公式说明了在任何情况下，光速都是定值。
二、等效性原理等效性原理认为，在任何加速度下观察到的现象与在重力场中观察到的现象是等价的。
这个原理意味着重力可以被视为加速度。
三、时空相对性原理时空相对性原理认为，在所有惯性参考系中物理规律都应该具有相同的形式。
这个原理意味着时间和空间是相互关联且互不可分割的。
四、质能等价原则质能等价原则是狭义相对论的另一个核心原理。
它认为质量和能量是等价的，即E=mc²。
这个公式说明了质量和能量之间的转换关系。
五、洛伦兹变换洛伦兹变换是狭义相对论中最重要的数学工具之一。
它描述了不同惯性参考系之间时间和空间的变换关系。
洛伦兹变换包括时间、长度、速度和动量等方面。
六、相对性原理相对性原理是狭义相对论的基础之一。
它认为物理规律在所有惯性参考系中都应该具有相同的形式，而没有一个特定的惯性参考系是绝对正确的。
七、时间膨胀时间膨胀是狭义相对论中比较奇特的现象之一。
它指出，在高速运动状态下，时间会变慢，即观察到同一事件所需的时间会增加。
总结：以上就是狭义相对论的原理，其中包括光速不变原理、等效性原理、时空相对性原理、质能等价原则、洛伦兹变换、相对性原理以及时间膨胀等方面。
这些原理共同构成了狭义相对论的理论框架，为我们理解物质和能量之间的关系提供了重要的理论基础。
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
狭义相对论基本原理
结束
二
间隔不变性
1、事件
在无限小空间，无限小时间间隔内发生的物质运动过程， 称为事件。或说在某一时刻，某一空间上发生的某一事件称为 事件，一般用P来表示。在某一个参考系中可以表示为 P(x,y,z,t)（直角坐标系）。
2、经典理论的空间间隔（距离）与时间间隔
t1 x1 ) 2 ( y2 y1 ) 2 ( z2 z1 ) 2 t2 t1 t2 ( x2 x1 ) 2 ( y2 y1 ) 2 ( z2 z1 ) 2 ( x2
2 2 2 2 2 2
s 2 0 两事件可用光信号联系 2 s 0 两事件不能用光信号联系，可认为无因果关系
4、间隔不变性
（1）时空基本属性的两条基本假设：
相对论时空理论的 一个重要基本概念， 它将时间与空间统 一起来，有深刻的 物理含义。
s 2 0 两事件用小于光的信号联系（因果关系的必要条件）
第六章第二节
狭义相对论基本原理 洛仑兹变换
§2
狭义相对论的基本原理
洛仑兹变换
核心 问题
一 基本原理（两个公理） 1 相对性原理（relativity principle）
一切物理定律在所有的惯性系中都具有相同形式； 一切惯性系都等价，不存在特殊的绝对的惯性系。 2 光速不变原理 (principle of constancy of light velocity)
x ' 11 x 14t y' y z' z t ' 41 x 44t
3、相对论理论中定义时空间隔
考察光在真空中传播过程的发射和接收两件事P1和P2 : x2 x1 2 y 2 y1 2 z 2 z1 2 c 2 t 2 t1 2 令
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。
狭义相对论的基本原理
一 狭义相对论的基本原理 1）爱因斯坦相对性原理：物理定律在所有的
惯性系中都具有相同的表达形式 . 相对性原理是自然界的普遍规律.
所有的惯性参考系都是等价的 . 2）光速不变原理： 真空中的光速是常量，它 与光源或观察者的运动无关，即不依赖于惯性系的 选择.
关键概念：相对性和不变性 .
坐标如图所示 .
s x' x vt (x vt)
1 2
s' y
y' v
P(x, y, z,t)
* (x', y', z',t')
y' y
z'
t t'
z
v c2
x
1 2
(t
v c2
x)
x'
zo
o'
z'
x
v c
1 1 2
x' (x vt)
伽利略变换与狭义相对论的基本原理不符 .
和光速不变紧密联系在一起的是：在某一惯性系 中同时发生的两个事件，在相对于此惯性系运动的另 一惯性系中观察，并不一定是同时发生的 .
说明同时具有相对性，时间的量度是相对的 .
长度的测量是和同时性概念密切相关.
二 洛伦兹变换式
设 ：t t' 0 时，o, o'重合 ; 事件 P 的时空
狭义相对论的基本原理
Albert Einstein ( 1879 – 1955 )
20世纪最伟大的物理学家, 于 1905年和1915年先后创立了狭义相 对论和广义相对论, 他于1905年提 出了光量子假设, 为此他于1921年 获得诺贝尔物理学奖, 他还在量子 理论方面具有很多的重要的贡献 .
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意大利物理学家，开创近代自然科学 研究方法的第一位学者 观察提问、合理假设、数学变换、实 验验证 提出了新的研究方法——数学推理和 科学实验 建立了摆的定律、惯性定律、自由落 体定律，提出伽利略相对性原理，奠 定了牛顿第一定律和第二定律的基本 思想和经典力学的基础，他的工作使 物理学成为独立的知、一座永垂不朽的纪念碑 1．《自然哲学的数学原理》的产生：英国科学家 牛顿 的代表作，成书于1686年． ________ 2．《自然哲学的数学原理》介绍：全书共分两个 部分．第一部分是“定义和注释”“运动的基本原 理”．第二部分是定律的应用，其内容包括：万有 引力定律和行星的运动；流体力学的开创性研究； 天体力学和宇宙系统的开拓性研究(行星的运动， 卫星的运动，地面上的落体运动，抛体运动，彗星 轨，17世纪最伟大的科 学巨匠
牛顿 方法论 重在分析与综合、归纳与演绎， 强调论证要用实验验证 New 更为深刻地实现了科学方法的丰 ton 意义 富、发展与变革 164 2～ 澄清了力和运动的观念，总结出 172 万有引力定律和牛顿运动三定律， 7 科学成 建立起完整的经典力学体系，从 就 伽利略时代以来一个世纪的物理 学 (1)概述：对于所有的惯性系，力学规律都是相 同的，或者说一切惯性系都是等效的． (2)两个要点：①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力学规律在任何惯性系中都是相同的，或者 说，任何惯性系都是等效的．
Байду 高 速运动． 低 速运动，不适用于___ (1)只适用于_____ 宏观 世界，不适用于______ 微观 世界． (2)只适用于_____ (3)只适用于弱引力环境，不适用于强引力环境． 五、经典力学的时空观 1．概述：绝对的空间，就其本性而言，是与外界 任何事物无关，而永远相同和不动的，绝对的时 间自身在不停地流逝着．这就是经典力学的时空 绝对 时空观． 观，也称为_______
课标定位
学习目标： 1. 知道牛顿对物理学发展的巨大贡献 和经典力学的重要历史地位． 2．理解经典力学方法论的意义和经典力学的时空 观． 3．掌握狭义相对论基本原理的内容及其意义． 重点难点：重点： 1. 经典力学的重大成就和方法 论的意义． 2．相对论的基本原理的理解． 难点：经典力学的局限性及相对论兹分别独立发明的数学 方法 —— 微积分．它在科学史上占有非常重要的 经典力学 的建立． 地位，因为它标志着__________ 二、经典力学的巨大成就 1．把______ 物体的运动统一 天体 运动与__________ 地上 起来了． 2 ．由经典力学为基础发展起来了天体力学、材 料力学． 第一次 3 ．力学与热学结合引发了 __________ 工业革 命． 4．经典力学是航天的理论基础． 牛牛文档分 享3．两条基本公设
相对性 原理：在不同的惯性参考系中，一 (1)________ 相同 切物理规律都是 _______的． 光速不变 光速 (2)_____________ 原理：真空中的_______ 在 相同 不同的惯性参考系中都是 ________的． 这是爱因斯坦在前1)经典力学的建立标志着近代自然科学的诞生，它 把天上物体和地上物体的运动统一起来，从力学上 证明了自然界的多样性的统一，实现了人类对自然 界认识的第一次理论大综合． (2)经典力学和以经典力学为基础发展起来的天体力 学、材料力学和结构力学等得到了广泛的应用，并 取得了巨大的成就.18世纪60年代，力学和热力学 的发展及其与生产相结合，使机器和蒸汽机得到改 进和推广，引发了第一次工业革命．
这两个、经典力学的成就与局限性
1． 多德 Aristo 意义 tle前 384～ 前322 科学 成就
世界古代史上最伟大的古希腊 哲学家、科学家和教育家 以人的感觉经验和逻辑理性来 研究物体的运动 开辟了探索自然界奥秘的一条 新路——观察 提出力的合成概念，创建了视 觉、色彩视觉等原始学说，尝 试从物质本身来说明自然，把 科学从宗教和神话中解放出来， 推断地球是一个球体