4-1 经典力学的时空观
第十四章 狭义相对论基础
u
在一艘没有窗户的船舱内
u 0
u C
所作的一切力学实验结果都相同。 无法通过力学实验的方法判断船是静止还是匀速直线运动。
伽利略相对性原理 (经典力学的相对性原理): 力学规律对于一切惯性系都是等价的。
四. 牛顿运动定律具有伽利略变换的不变性
S S
在牛顿力学中
m
m
a a
在所有惯性系中，一切物理学定律都是相同，都具有相 同的数学表达形式。
或者说：对于描述物理现象的规律而言，所有惯性系是等价的。
结论 (1)爱因斯坦相对性原理 是 经典力学相对性原理的发展
一切物理规律 力学规律
(2) 光速不变原理与伽利略的速度合成定理针锋相对
(3) 时间、长度、质量的测量: 经典力学----与参考系无关.
大学物理学
近代物理基础
第14章 狭义相对论基础
三、时间间隔的相对性
研究的问题是： 在某系中，同一地点先后发生的两个事件的时间 间隔，与另一系中，这两个事件的时间间隔的关系。
固有 时间 运动 时间
一个物理过程用相对于它静止的惯性系上的时 钟测量到的时间。用 0表示。也叫静止时。 一个物理过程用相对于它运动的惯性系上的时 钟测量到的时间。用 表示。
速度的逆变换式？
从S系变换到S系
从S系变换到S系
vx u v x 1 uv x c 2
正 变 换 )
Байду номын сангаас
v x u vx 2 1 uv c x
逆 变 换
2 2 v y 1 u c vy 2 1 uv x c
2 2 v 1 u c vz z 2 1 uv x c
某时刻，发生（事件）P
经典力学和狭义相对论的时空观
经典力学和狭义相对论的时空观一、经典力学的时空观1. 经典力学的基本原理经典力学是描述物体运动的一种力学理论，其时空观是以牛顿的绝对时空观为基础的。
根据经典力学的基本原理，我们可以得到以下结论：•时间是绝对的，所有物体的运动在一个共同的绝对时间下进行。
•空间是绝对的，存在一个共同的绝对空间，物体的位置可以准确地确定。
•物体的运动由牛顿的三定律描述，分别是惯性定律、动力定律和作用-反作用定律。
2. 经典力学的局限性然而，随着科学研究的深入，人们逐渐发现了经典力学的局限性。
在高速运动和强引力场的情况下，经典力学无法给出准确的预测。
这引发了人们对时空观的重新思考。
二、狭义相对论的时空观1. 狭义相对论的基本原理狭义相对论是爱因斯坦在1905年提出的一种新的物理理论，它基于不变速度光原理建立了新的时空观。
根据狭义相对论的基本原理，我们可以得到以下结论：•时间和空间是相对的，不同参考系下的时间和空间测量可能是不一样的。
•光速是不变的，无论在任何参考系下，光速始终保持不变。
•物体的质量随着速度的增加而增加，当物体的速度接近光速时，质量趋于无穷大，这意味着需要无限的能量才能将物体加速到光速。
2. 狭义相对论的重要结果狭义相对论引入了著名的洛伦兹变换，它在描述时间和空间的变换关系中发挥了重要作用。
同时，狭义相对论还得出了以下重要结果：•同步性是相对的，不同参考系下的时间同步可能是不一样的。
这就解释了为什么在高速运动中，两个同时发生的事件在不同参考系下的观察者看来是不同时发生的。
•长度收缩效应，当物体运动速度接近光速时，物体的长度在运动方向上会发生收缩。
这意味着物体在高速运动中看起来比实际要短。
•时间膨胀效应，当物体运动速度接近光速时，物体的时间流逝会变慢，这意味着高速运动的物体的时间比静止观察者的时间要慢。
三、经典力学与狭义相对论的对比1. 时间和空间观的差异在经典力学中，时间和空间被认为是绝对的，而在狭义相对论中，时间和空间是相对的。
第四章 狭义相对论
大学物理学
第四章 狭义相对论
4.1 伽利略变换和经典力学时空观 4.2 狭义相对论的基本原理 洛仑兹变换 4.3 狭义相对论的时空观 4.4 狭义相对论动力学
2
大学物理学
第四章 狭义相对论
4.1 伽利略变换和经典力学时空观
一、伽利略变换
u
1. 伽利略坐标变换
y y'
K' 系相对于 K 系沿 x 轴匀速 运动，当 t = t' = 0 时， O 与
在 S' 系中看来：
事件 1 发生的位置 x1' ( x1 u t1 ) 事件 2 发生的位置 x2' ( x2 u t2 )
所以有 x' (x ut)
由Δt = 0，则有
x'
u2
x
x' 1 c2
18
大学物理学
l l0
1
u2 c2
第四章 狭义相对论
物体在运动方向上的长度收缩 为固有长度的γ分之一。
——长度收缩效应
注意 ① l < l0 长度沿着运动方向收缩了。
② 若把尺子静止放置在 S 系，在 S' 系测量尺 子的长度，同样出现长度收缩效应。
③ 空间长度具有相对意义。
19
大学物理学
第四章 狭义相对论
例4.1 一火箭相对地球以速率 u = 0.6 c 做直线 运动，以火箭为参考系测得火箭长度为 15m， 则以地球为参考系测得的火箭长度是多少？若 火箭相对地球运动的速率为 u = 0.995 c，问在 地球上测得的火箭长度又是多少？
p
ud p
0
pu
u
u
d( pu) pdu pu
经典力学的成就与局限性经典时空观与相对论时空观课件
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2．经典时空观 (1)惯性系与非惯性系 ①惯性系： 牛顿运动定律成立的参考系，相对于惯性系静止 或做匀速直线 运动的参考系都是惯性系． ②非惯性系：牛顿运动定律 不成立的参考系，相对于惯性系做变速运动 的 参考系是非惯性系．
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(2)伽利略相对性原理 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． (3)经典时空观(绝对时空观) 时间永远均匀地流逝，与任何外界无关 ；空间与任何外界事物无关，从不 运动，永远不变．
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2．长度收缩效应
按照狭义相对论时空观，空间也与运动密切相关，即对某物体空间广延性
的观测，与观测者和该物体的相对运动有关．观测长度 l′与静止长度 l 之间的
关系：l′＝l 1－vc22，由于 v<c，所以 l′<l.这种长度观测效应被称为长度收缩．
3．质速关系
在相对物体静止的参考系中测量，物体具有最小的质量 m0(称为静止质量)；
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[再判断] 1．在经典力学中，时间、长度和质量与运动没有关系．(√) 2．相对论，完全否定了经典力学的理论．(×) 3．对于高速运动的物体，它的质量随着速度的增加而变大．(√)
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[后思考] 若一列火车的速度是 10 m/s，一个人在车上相对于车以 10 m/s 的速度向前 跑，那么他相对于地面的速度为 20 m/s.若火车的速度为 0.9c(c 为光速)，火车上 的人向前发出一束激光(相对于车的速度为 c)．激光相对于地面的速度是否为 1.9c?
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第4章 狭义相对论基础
物体间的相互作用与参照系的选择无关：F F ’ 故只要在S系中有 F ma ， 则在S 系也一定有 F ma 。
一切惯性系中，描述运动的力学规 律都是完全相同的. ----力学的相对性原理
9
力学的相对性原理
（1）来源于牛顿的时空观。 时间和空间的测量与惯性参考系的运动无关。
（2）最早由伽利略从实验上提出来。 通过力学实验无法判定一个惯性系的运动状态。 因此，用力学的方法无法寻找绝对静止参照系。 （3）伽利略变换是经典力学时空观的数学体现。
10
§4-2 狭义相对论产生的实验基础和历史条件 一、历史条件
19世纪的最后一天，欧洲著名的科学 家欢聚一堂。会上，英国著名物理学 家汤姆生（开尔文男爵）发表了新年 祝词。他在回顾物理学所取得的伟大 成就时说：“物理大厦已经落成，所 剩只是一些修饰工作。” 他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“动 力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽 而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，”“第一朵乌云出现 在光的波动理论上，”“第二朵乌云出现在关于能量均分 的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。”
4
相对论涉及到两个似乎对立的概念：相对性和不变性 相对性：是指观测的相对性，对于一个给定的现象，由于
观测者不同而不同。
不变性：是指一致的部分，对现象观测，有一些方面或一 些规律对不同的观测者都是一样的。
我要说爱因斯坦最大的贡献，这一点没有得到充分强调， 即指出了不变性。什么是不变性？最重要的不变性，爱因斯 坦所认识的不变性，是容易描述的，即首要的是自然定律到 处都一样。
迈克尔逊干涉仪 光路图
15
设地球在“绝对静止”(以太)参考系中的速度为u。 使干涉仪的一臂沿着地球轨道运动方向。
4-1 狭义相对论基本原理 洛伦兹变换
l
v
B 点光线到达 地球所需时间
tB
l c
理论计算观察到超新性爆发的强光的时间持续约
t tB tA 25年
实际持续时间约为 22 个月，这怎么解释 ?
物质飞散速度 v 1500km/s
A
c v
B
c l = 5000 光年
4 – 1 狭义相对论基本原理 洛伦兹变换 第四章 狭义相对论
迈克尔孙 — 莫雷实验
关键概念：相对性和不变性 .
伽利略变换与狭义相对论的基本原理不符 .
4 – 1 狭义相对论基本原理 洛伦兹变换 第四章 狭义相对论
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 .
为了测量地球相对于“以太”的运动，1881年 迈克尔孙用他自制的干涉仪进行测量，没有结果 . 1887年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验， 仍得到零结果，即未观测到地球相对“以太”的运 动.
4 – 1 狭义相对论基本原理 洛伦兹变换 第四章 狭义相对论
M2 M1
sG
v
T
G
c
- v
M2
c2 v2
ma'
在两相互作匀速直线运动的惯性
a'z az 系中，牛顿运动定律具有相同的形式 .
4 – 1 狭义相对论基本原理 洛伦兹变换 第四章 狭义相对论
3 伽利略变换的失败
麦克斯韦方程组所引起的问题
对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式 是一样的吗 ？
真空中的光速 c 1 2.998 108 m/s
2 伽利略变换
当 t t 0 时 o 与 o' 重合
程守洙《普通物理学》(第6版)(上册)笔记和课后习题(含考研真题)详解(1-2章)【圣才出品】
第1章力和运动1.1复习笔记一、质点运动的描述机械运动是指一个物体相对于另一个物体的位置，或者一个物体的某些部分相对于其他部分的位置，随着时间而变化的过程．1．质点（1）质点是指具有一定质量且大小和形状可以忽略的理想物体；（2）质点的简化具有相对性．2．参考系和坐标系（1）参考系①参考系是指在描述物体运动时，被选作参考的物体或物体系；②参考系的选择具有任意性．（2）坐标系①选取在参考系上选定一点作为坐标系的原点O，取通过原点并标有长度的线作为坐标轴．②常用坐标系笛卡尔坐标系、平面极坐标系和球坐标系等．（3）参考系和坐标系的关系坐标系用来定量地描述一个物体在各时刻相对于参考系的位置．3．空间和时间（1）空间反映物质的广延性，与物体的体积和物体位置的变化相联系；（2）时间反映物理事件的顺序性和持续性．4．运动学方程在选定的参考系中，运动质点的位置P（x，y，z）是t 的函数，即x＝x（t），y＝y（t），z＝z（t）5．位矢（1）位矢是用来确定某时刻质点位置的矢量，用r 表示．（2）特点①矢量性；②瞬时性；③相对性．6．位移位移表示质点在一段时间内位置改变的矢量，用r表示．7．速度（1）平均速度：（2）瞬时速度（速度）：8．加速度（1）质点的平均加速度（2）瞬时加速度加速度是矢量：①a与v成锐角，速率增加；②a与v成钝角，速率减小；③a与v成直角，速率不变．二、圆周运动和一般曲线运动1．切向加速度和法向加速度自然坐标系下的加速度式中，切向加速度a t和法向加速度a n分别为：2．圆周运动的角量描述（1）圆周运动的瞬时角速度（角速度）式中，△θ为角位移，单位为rad；ω的单位为1/s或rad/s．（2）圆周运动的瞬时角加速度（角加速度）式中，α的单位为1/s2或rad/s2．（3）角量和线量的关系22 d d t n R a R t a R R υωυαυω⎧⎫⎪=⎪⎪⎪⎪⎪==⎨⎬⎪⎪⎪⎪==⎪⎪⎭⎩线量角量3．抛体运动的矢量描述（1）速度分量：（2）速度矢量：（3）加速度：（4）位矢：（5）轨迹方程：三、相对运动常见力和基本力1．相对运动（1）伽利略坐标变换（2）速度变换与加速度变换质点P 在K’系的速度/加速度与它在K 系的速度/加速度的关系质点在两个相对作匀速直线运动的参考系中的加速度是相同的．2．常见力（1）重力重力是指地球表面附近的物体受到地球的吸引作用而使物体受到的力．（2）弹力弹力是指形变物体恢复原状时与它接触的物体产生的力．弹力的三种表现形式：①两物体间的相互挤压两物体间相互挤压所产生的弹力又称正压力或支承力．该力大小取决于相互挤压的程度，方向总是垂直于接触面并指向对方．②绳线对物体的拉力该力大小取决于绳线收紧的程度，方向总是沿着绳线并指向绳线收紧的方向．③弹簧的弹力弹簧的弹力总是力图使弹簧恢复原状，又称恢复力．F＝－kx（胡克定律）式中：k为弹簧的劲度系数或劲度，负号表示弹力和位移方向相反．（3）摩擦力摩擦力是指两个相互接触的物体在沿接触面相对运动或有相对运动的趋势时，在接触面间产生的一对阻止相对运动的力．（4）万有引力万有引力是存在于任何两个物体之间的吸引力．式中：G为引力常量，．3．基本力（1）电磁力电磁力是指存在于静止电荷之间的电性力以及存在于运动电荷之间的电性力和磁性力．（2）强力强力是指存在于核子、介子和超子之间的强相互作用．（3）弱力弱力是指在亚原子领域中存在的短程相互作用．四、牛顿运动定律1．牛顿第一定律任何物体都保持静止或匀速直线运动状态，直到作用在它上面的力迫使它改变这种状态为止，又称惯性定律．相关说明：（1）惯性是物体所具有的保持其原有运动状态不变的特性．（2）力是引起运动状态改变的原因．（3）牛顿定律只适用于惯性系．2．牛顿第二定律物体受到外力作用时，它所获得的加速度的大小与外力的大小成正比，并与物体的质量成反比，加速度方向与外力方向相同．dtv d m a m F ==力是物体产生加速度的原因，并非物体有速度的原因．3．牛顿第三定律两个物体之间的作用力和反作用力，在同一直线上，大小相等方向相反．BAAB F F -=。
《物理学教学课件》4-1经典力学的时空观
为了解决量子力学和广义相对论之间 的不兼容性，科学家正在努力寻找一 种量子引力理论，以统一描述微观粒 子和宏观引力。
超越经典时空观
随着科学技术的不断进步，人们对于 时空的认识也在不断深化。未来，我 们可能会超越经典力学的时空观，建 立更加精确和完备的物理理论体系。
THANKS
感谢观看
绝对时空观的物理意义
绝对时空观为经典力学提供了 基础，使得牛顿的运动定律和 万有引力定律得以成立。
它解释了物体运动和力的作用 方式，使得人们能够准确地预 测和描述物体的运动轨迹和状 态。
它也使得人们能够建立绝对坐 标系，从而对物体进行准确的 定位和描述。
绝对时空观的局限性
绝对时空观无法解释光速不变的现象， 因为光速在不同的惯性参考系中是相 同的，这与绝对时空观相矛盾。
详细描述
米氏-摩雷森实验通过测量光在运动介 质中的速度，验证了光速在不同参考 系下是否恒定。该实验结果支持了狭 义相对论的预言，表明光速在不同惯 性参考系下是恒定的。
原子干涉实验
总结词
原子干涉实验是验证时空相对性的另一种方法。
详细描述
原子干涉实验通过观察原子在干涉条纹中的分布，验证了时间和空间的相对性。该实验结果支持了狭义相对论的 预言，表明时间和空间在不同的参考系下是相对的。
05
时空观的现代发展
量子力学对时空观的挑战
量子力学的非定域性
量子力学中的粒子不受时空限制，可以在整个宇宙中同时存在，这与经典力学的时空观相冲突。
波函数与现实世界的联系
波函数是量子力学中的基本概念，它描述了粒子的状态，但波函数的存在并不直接对应于物理实在， 这使得量子力学的时空观变得模糊。
广义相对论的时空观
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系相对于“以太”的速度有关。
若此，如在地球上测光速，可能 > c或< c · 19世纪末，很多精确的实验和观察(最著
名的是Michelson-Morley实验)都得出完全否
定的结果，在任何参考系中测得的光在真空
中的速率均为ｃ。
· 是 伽利略变换正确而电磁规律不符合 相对性原理? · 还是电磁规律符合相对性原理而伽利略 变换该修正? ·爱因斯坦(Einstein)深入分析了此问题， 于1905年发表了《论动体的电动力学》作出 了对整个物理学都有变革意义的回答。
vt
z'z'
x'
( x ' , y' , z ' )
z z
x' x
y s
y
o
s'
y'
y'
v
o 'x
* P ( x, y, z )
vt
z'z'
x'
( x ' , y' , z ' )
z z
x' x
速度变换公式
y s
y
o
s'
y'
y'
u x ux v uy u y uz uz
v
o 'x
* P ( x, y, z )
vt
z'z'
x'
( x ' , y' , z ' )
z z
x' x
讨论： 伽利略变换是建立在绝对时空观基础上的。
三、力学的相对性原理
力学的所有规律在任意的惯性系中都 是相同的。或者说，对于力学规律，所有 惯性系都是平等的。
例：在两相互作匀速直线运动的惯性 系中,牛顿运动定律具有相同的形式.
· 提出问题 ： 电磁场方程组在哪个参考系成立呢? · 为不和伽利略变换矛盾，人们假设：宇 宙中充满了叫“以太(ether)”的物质，电 磁波靠“以太”传播。
把以太选作绝对静止的参考系；
电磁场方程组只在“以太”参考系成立；
电磁波在“以太”参考系中速率各向为c。
· 按伽利略变换，电磁波相对于其他参考系
加速度变换
a x ax a y ay
az az
y s
y
o
s'
y'
y'
v
o 'x
* P ( x, y, z )
vt
x'
( x ' , y' , z ' )
a a
z z'z' z F ma
x' x
F ma
4-1
经典力学的时空观
一、绝对时空观 1）时间间隔的测量是绝对的，即两事件 的时间间隔在不同的惯性系中是相同的 , 称 绝对时间。 2）空间间隔的测量是绝对的，即两事件 的空间间隔在不同的惯性系中是相同的 , 称 绝对空间。
二、伽利略变换
y s
y
o
s'
y'
y'
v
o 'x
* P ( x, y, z )
第
4 章
狭义相对论基础
历史背景
· 19世纪末电磁学有了很大发展，1865年 麦克斯韦(Maxwell)总结出电磁场方程组；预 言了电磁波的存在，并指出其速率各向均为c (真空中)；1888年赫兹(Hertz) 在实验上证 实了电磁波的存在。
· 这显然和伽利略变换矛盾，按伽利略变 换，光速在一个参考系中若是c，在另一参考 系中必不是c。