4.1狭义相对论基本原理
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
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
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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
《狭义相对论的基本原理》 讲义
《狭义相对论的基本原理》讲义在物理学的广袤领域中，狭义相对论无疑是一颗璀璨的明珠。
它以独特的视角和深刻的洞察，改变了我们对时间和空间的理解。
接下来，让我们一同深入探索狭义相对论的基本原理。
狭义相对论的诞生并非偶然，而是在经典物理学面临一系列挑战时应运而生。
19 世纪末，随着电磁学的迅速发展，人们发现经典力学与电磁学之间存在着一些难以调和的矛盾。
特别是光速不变这一现象，无法用经典的速度叠加原理来解释。
狭义相对论的两个基本原理是相对性原理和光速不变原理。
相对性原理指出，物理规律在所有惯性参考系中都是相同的。
这意味着无论我们处于怎样的匀速直线运动状态，所观察到的物理现象都应该遵循相同的规律。
想象一下，你坐在一辆平稳行驶的火车中，如果你不看窗外，不借助任何外部参考，你所进行的物理实验结果和在地面上进行的是完全一样的。
而光速不变原理则更加令人惊叹。
它表明，真空中的光速在任何惯性参考系中都是恒定不变的，恒为 c ，约为 299792458 米/秒。
这与我们日常生活中的经验似乎大相径庭。
通常情况下，当我们坐在一辆行驶的汽车上，向车外扔出一个球，球的速度是汽车速度与我们抛出速度的叠加。
但对于光来说，无论光源是静止的还是运动的，光的速度始终保持不变。
为了更好地理解这两个原理，让我们通过一些思想实验来感受一下。
假设有一辆高速行驶的火车，车厢中间有一盏灯。
当灯被打开时，光线同时向车头和车尾传播。
在火车上的观察者会看到光线同时到达车头和车尾，因为在他的参考系中，光向两个方向传播的速度相同，且车厢长度是固定的。
然而，对于站在地面上的观察者来说，情况就有所不同了。
由于火车在运动，当光线传播的同时，火车也在向前行进。
但神奇的是，尽管如此，他所观测到的光到达车头和车尾的时间仍然是相同的，这正是光速不变原理的体现。
基于这两个基本原理，狭义相对论引出了一系列奇妙的结论。
首先是时间膨胀效应。
简单来说，运动的时钟会变慢。
假设一个宇航员以接近光速的速度进行太空旅行，当他返回地球时，会发现地球上已经过去了很长时间，而他自己经历的时间却相对较短。
狭义相对论的基本原理和推论
狭义相对论的基本原理和推论狭义相对论，作为现代物理学中的重要理论之一，对于我们理解宇宙的运行规律和空间时间的统一起到了至关重要的作用。
在科学研究中具有重要的意义，本文将对狭义相对论的基本原理和推论进行深入研究，探讨其在物理学中的应用和影响。
第一章狭义相对论的历史背景# 1.1 牛顿力学的局限性牛顿力学是在17世纪由牛顿创立的经典物理学理论，是描述宇宙运动规律的重要工具。
然而，随着科学技术的不断发展和实验数据的不断丰富，人们逐渐意识到牛顿力学在描述高速运动和微观粒子运动时存在一定的局限性。
# 1.2 麦克斯韦电磁理论的挑战19世纪中期，麦克斯韦提出了电磁场理论，将电磁场统一到了一种方程中。
这一理论对于当时的物理学家来说是一个巨大的挑战，因为麦克斯韦的理论预言了电磁波的存在，这种波动介质必然是以光速传播的。
# 1.3 惯性系和相对论原理爱因斯坦在研究运动物体的时候发现，他们的运动与观察者的运动状态息息相关。
这就引出了狭义相对论的概念，即不同惯性系之间的相对运动是没有绝对的意义的。
第二章狭义相对论的基本原理# 2.1 相对性原理狭义相对论的基本原理就是相对性原理，它包含了以下两点内容：一是物理规律在所有惯性系中都是相同的；二是光在真空中的速度在所有惯性系中都是恒定的，即光速不变原理。
# 2.2 同步坐标系和尺缩效应根据狭义相对性理论，两个相对运动的参考系之间的时间和空间的测量是不同的。
当两个时钟相对静止时，它们显示的时间相同，但是当它们相对运动时，它们的时间会出现错位。
此外，根据洛伦兹收缩公式，当一个物体以接近光速的速度运动时，其长度在运动方向上会发生压缩。
# 2.3 双缝实验和时钟测量双缝实验是验证量子力学的重要实验之一，而在狭义相对论中也有类似的实验来验证其基本原理。
在双缝实验中，光同时通过两个狭缝，根据光的波动性质，会出现干涉条纹。
而在时钟测量中，当两个钟相对运动时，它们的时间会有微小的差异，这也是狭义相对论所描述的现象。
4.1狭义相对论基本原理
近代物理学的两朵乌云
19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢 聚一堂。英国著名物理学家W．汤姆孙 William Thomson （即开尔文勋爵）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。
一切力学现象原则上都能够从经典力学得到解释，对于电 磁现象，已形成麦克斯韦电磁场理论，这种理论还可用来 阐述波动光学的基本问题。热现象，有了唯象热力学和统 计力学的理论。以经典力学、经典电磁场理论和经典统计 力学为三大支柱的经典物理大厦已经建成，而且基础牢固， 宏伟壮观
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 理论方面作出很多的重要的贡献 .
爱因斯坦的哲学观念：自然 界应当是和谐而简单的.
在日常生活中时间延缓和长度收缩是完全可以忽
略的, 但运动速度接近光速时, 这两种效应就变得非
常重要, 在高能物理的领域里得到大量的实验证实.
例1 设想有一光子火箭以 v 0.95c 速率相
对地球作直线运动 ，若火箭上宇航员的计时器记录 他观测星云用去 10 min , 则地球上的观察者测得此 事用去多少时间 ？
“设以地太球”(光速源度和：干涉u仪)相对于
光相对于“以太”的速度: c
光相对 于地 球的 速度：v vc u
大小随 c 的方向而变化
M1 u 以太风
S
M
M2
T
实验原理图
c u
v
v cu
c u vcu
狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式
2、洛伦兹速度变换式
ux − v u′ = x u xv 1− 2 c
正变换
u y 1 − v 2 /c 2 ′ uy = u xv 1− 2 c
u z 1 − v 2 /c 2 ′ uz = u xv 1− 2 c
9
物理学
第五版
14-3 14-
狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式
逆变换
u′ + v ux = x u′ v 1 + x2 c u ′y 1 − v 2 / c 2 uy = u′ v 1 + x2 c
2 2
c ,0,0, 1 ) 点在K 中的时空坐标为( 即P1点在K'中的时空坐标为( 3 3
同理可得 P2点在K'中的时空坐标为(-3c,0,0,3) 点在K 中的时空坐标为(
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物理学
第五版
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狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式
讨论： 讨论： ----同时 ∆t = 0 ----同时
物理学
第五版
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狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式
Qd x' =
d x −v dt 1−v c
2 2
dt' =
dt −v d x c 1−v c
2 2
2
d y' = d y
d z' = d z
ux −v d x' d x −v dt = ∴ux' = = 2 2 dt' dt −v d x c 1−vux c
8
16
= 2.99×10 m /s
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狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式
《狭义相对论的基本原理》 知识清单
《狭义相对论的基本原理》知识清单一、狭义相对论的背景在 19 世纪末，经典物理学在解释许多物理现象时遇到了困难。
比如，麦克斯韦方程组预言了电磁波的存在，并得出电磁波在真空中的速度是一个常数。
但按照经典力学的速度叠加原理，不同惯性系中测量的光速应该是不同的，这就产生了矛盾。
同时，在研究高速运动的微观粒子时，经典物理学的理论也无法给出准确的描述。
正是在这样的背景下，爱因斯坦提出了狭义相对论，对经典物理学进行了重大的修正和拓展。
二、狭义相对论的两个基本原理1、相对性原理相对性原理指出，物理规律在所有惯性系中都是相同的。
这意味着无论我们处于哪个匀速直线运动的惯性参考系中，进行物理实验所得到的结果应该是一样的。
打个比方，如果在一个匀速直线运动的火车厢里做一个物理实验，比如测量小球的下落轨迹，同时在地面上也做同样的实验，只要忽略外界的影响，两个实验的结果应该是相同的。
这就打破了牛顿力学中绝对空间和绝对时间的观念，因为在牛顿力学中，存在一个绝对静止的参考系，而相对性原理否定了这种绝对的参考系。
2、光速不变原理光速不变原理是指真空中的光速在任何惯性系中都是恒定不变的，与光源和观察者的相对运动无关。
假设一个光源向各个方向发出光，无论观察者是静止的还是以一定速度运动，他们测量到的光速都是相同的。
这与我们日常生活中的经验似乎相悖，因为当我们观察一辆行驶中的汽车发出的声音时，声音的速度会因为观察者和汽车的相对运动而有所不同。
但对于光，情况却完全不同，光速始终保持不变。
三、洛伦兹变换为了从数学上描述狭义相对论中的物理量在不同惯性系之间的变换关系，引入了洛伦兹变换。
洛伦兹变换取代了经典力学中的伽利略变换。
在低速情况下，洛伦兹变换可以近似为伽利略变换，但在高速情况下，两者的差异就变得非常显著。
通过洛伦兹变换，可以得到时间和空间的坐标在不同惯性系之间的关系。
比如，一个事件在一个惯性系中的时间和空间坐标，通过洛伦兹变换可以计算出在另一个惯性系中的相应坐标。
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3）光速 C 是建立不同惯性系间时空变换的纽带.
人类乘接近光速的光子火箭作星际旅行 地球 南门二（4光年） 牛郎星（16光年） 织女星（26.3光年） 小麦哲伦星云（15万光年）
2
t
t ' 1
v c,
1 1
2
无论目标有多远，乘客在旅途上花费的固有时间 原则上可以任意短。 在日常生活中时间延缓和长度收缩是完全可以忽 略的, 但运动速度接近光速时, 这两种效应就变得非 常重要, 在高能物理的领域里得到大量的实验证实.
时间的延缓
运 动 的 钟 走 得 慢
注意
1）时间延缓是一种相对效应 . 2）时间的流逝不是绝对的，运动将改变 时间的进程.（例如新陈代谢、放射性的衰变、 寿命等 . ） 3） v c 时，t t ' .
狭义相对论的时空观
1） 两个事件在不同的惯性系看来，它们的空间 关系是相对的， 时间关系也是相对的，只有将空间 和时间联系在一起才有意义. 2）时—空不互相独立，而是不可分割的整体.
磁现象，已形成麦克斯韦电磁场理论，这种理论还可用来 阐述波动光学的基本问题。热现象，有了唯象热力学和统 计力学的理论。以经典力学、经典电磁场理论和经典统计 力学为三大支柱的经典物理大厦已经建成，而且基础牢固，
宏伟壮观
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。
t l l 2l c u c u c 1 u2 c 2
2l0 光往返时间： t0 c
d k
l
u
ut1 x
k
t t0
t0
1 u2 c 2
O
x1
x2
x
2l 2 2 2 2 c 1 u c 1 u c
全程所用时间： t t1 t 2
相对论问世
量子力学的诞生
相对论 量子力学
近代物理两大理论支柱
深刻影响现代科技和人类生活
1905年的爱因斯坦
一位在当时还不知名的瑞士专利局的职员阿尔伯特-爱因斯坦， 1905
年发表的一篇著名的论文中指出，只要人们愿意抛弃绝对时间的观念
的话，整个以太的观念就是多余的。几个星期之后，一位法国最重要 的数学家亨利· 庞加勒也提出类似的观点。
运动的钟似乎走慢了.
时空隧道
双生子佯谬
有一对双生兄弟，其
中一个跨上一宇宙飞
船作长程太空旅行， 而另一个则留在地球。
结果当旅行者回到地
球后，我们发现他比 他留在地球的兄弟更
年青。
4.2.3 长度收缩 长度 = 在与长度方向平行的坐标轴上,物体两端坐标值之差.(当 物体运动时,两端坐标必须同时记录)
C
B
u
x
K系同时发生的两事件, t = 0 K
y
o
t t 0 时，C发一光信号
事件1: A接收到光信号 事件2: B接收到光信号
K
y
u
x
O
z
z
O
x
结论：“同时性”具有相对性 ——光速不变原理的直接结果
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.
v x' s
x
s'
火箭参照系 地面参照系
解 ：固有长度
l0 15m l '
l 15 1 0.95 m 4.68m
2
l l' 1
2
作业
4-1 4-3 4-5
说明同时具有相对性,时间的量度是相对的.
4.2.2 时间延缓
理想实验：爱因斯坦火车
站台系： K系
火车系： K 系
火车系：K '
y
A'
站台系： K系
y
M
D
M
t c 2
M
D
N
M
u
o
, t1 ) I(x1
x1
x
N
o
u
x1
t N 2
x2
x
, t2 ) II(x1
原长最长！
2l 2 2 2 2 c 1 u c c 1 u c
2l0
解得：
l l0 1 u 2 c 2
设想有一光子火箭， 相对于地球以速 率 v 0.95c 飞行，若以火箭为参考系测得火箭长 度为 15 m ，问以地球为参考系，此火箭有多长 ？
例1
y y'
o ' o
l0 15m
I( x1 , t1 )
N1
II(x2 , t2 )
N2
用一个相对事件发生 地静止的钟测量的两 个同地事件的时间间 隔——原时(proper time) (固有时间)0
t1 0 t t 2 2d c
光信号： N M N 该两事件为异地事件,需用两只 钟测出其时间间隔：非原时(运 动时间τ)
爱因斯坦的哲学观念：自然 界应当是和谐而简单的.
理论特色：出于简单而归于 深奥.
4.1.2 爱因斯坦基本假设 1.狭义相对论的相对性原理(relativity principle of special relativity)：物理规律对 所有惯性系都是一样的,不存在任何一个 特殊的惯性系．
2.光速不变原理(invariance principle of velocity of light):在任何惯性系中,光在真 空中的速率都相等. 包括两个意思： 光速不随观察者的运动而变化 光速不随光源的运动而变化 爱因斯坦的二个基本假设, 放弃了以太参照系,又不必修 改麦克斯韦方程组,光速不变与麦克斯韦 方程组在惯性系中等价是一致的.
?
c
§4.2 爱因斯坦时空观 4.2.1 同时性的相对性 问题： 在某一惯性系中的同 时事件,在另一相对其运动的 惯性系中是否是同时的?
K系 K 系
理想实验：爱因斯坦火车
同时 A
火车 K
C
B
u
x'
o'
事件1 x1, t1
, t1 x1
事件2
x2, t2
, t2 x2
不同时
A
站台 K
《分子大小的新测定方法》； 《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》； 《论动体的电动力学》； 《物体的惯性同它所含的能量有关吗？》 内容涵盖光量子假说、光电效应、分子大小测定、布朗运 动、狭义相对论。爱因斯坦奇迹年100周年的2005年定为 “国际物理年”
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 理论方面作出很多的重要的贡献 .
例1 设想有一光子火箭以 v 0.95c 速率相 对地球作直线运动 ，若火箭上宇航员的计时器记录 他观测星云用去 10 min , 则地球上的观察者测得此 事用去多少时间 ？ 解: 设火箭为
S' 系、地球为 S 系
10 1 0.952
t ' 10 min
t t ' 1 2 min 32.01min
l l 2l t c u c u c 1 u2 c 2
原长l0：在相对于观察者静止 的参考系中测得的物体长度.
长度收缩 ：运动物体的长. 度 l 小于原长, l < l 0 .
t t0
t0
1 u c
2
2
2l 2 2 2 2 c 1 u c 1 u c
t 2 t 2 2 (c ) d (u ) 2 2
K系 站台系：
y
M
t c 2
M
D
N
M
u
N
o
u
x1
t N 2
1 u 令 , 1 2 c 2d 1 t t 2 c 1 1 2
x
x2
I( x1 , t1 )
N1
II(x2 , t2 )
y
y
x
x (t ) x (t ) 测量尺两端坐标
A 0 B 0
x
xA (t0 )
xB (t1 )
棒静止于K 系
入射路程：
d l ut1 ct1
u
解得
l t1 cu
k
O x1
l0
x2
x
光脉冲从反射镜返 l t 2 回到光源的时间： cu 全程所用时间： t t1 t 2
时又用以太来表示占据天体空间的物质。
迈克耳孙-莫雷实验 —— 检测以太 M1
u
S
M
以太风 M2
T 实验原理图 设地球(光源和干涉仪)相对于 “以太”速度： u
光相对于“以太”的速度: c
光相对于地球的速度：v v c u
大小随 c 的方向而变化
M1 S
u
N2
t
t 1
2
t t 0
光信号： N M N 该两事件为异地事件,需用两 只钟测出其时间间隔：非原时 (运动时间τ)
0
1 2
t 2 t 2 2 ∵ (c ) d (u ) 2 2
结论：原时最短.运动时钟变 慢效应——时间膨胀,时间延 缓(time expansion)