狭义相对论的发展史
狭义相对论
观测 时间
雷达钟
1 2 d vt 2 t c
2
2
2d t t 2 2 c c v
2
4d
2
1 v 1 c
2
t
t0 v 1 c
2
t
t0 v 1 c
2
t t0
时间延缓
固有时最短，动钟变慢
对观测者来说收缩了。
2、相对于观测者运动的惯性系的时钟系统对观测者
来说变慢了。
3、“同时”是相对的。
4-2-3 狭义相对论动力学
高速运动时动力学概念如何？
基本出发点：
1、所有物理规律在洛仑兹变换下形式不变； 2、低速时转化成相应的经典力学形式。
一、相对论质量、动量
经典力学： 相对论：
v
c
m不变
m?
二、质量和能量的关系
动能定理
Ek F dr
v 0 v dp dr v dp v d (mv ) 0 dt v
v (v dm mdv ) (v 2 dm mvdv)
0
m
m0 v2 1 2 c
m c m v m c
x x’
o
o’ x’ x
z z
u t (t 2 x ) c
其中 1 1
2
z
ut
Z’
1 1 u2
2
逆变换
S S
x x ut y y
z z
u t ( t 2 x ) c
其中 1 1
2
1 u2 1 2 c
2.光速不变原理
在一切惯性系中，光在真空中的速率恒为c ，与 光源的运动状态无关。
5狭义相对论
一个惯性系中表现为同时的，在另一个惯性系中观察，则 总是在前一惯性系运动的后方的那一事件先发生。
同时性的相对性 当速度 u 远远小于C时，两个惯性系结果相同 牛顿力学
2. 由洛仑兹变换看同时性的相对性
y和z方向就不用管了
S系
事件1 事件2
两事件的时间间隔 两事件的空间间隔
x1 , t1
求t或t' 的一、二阶导数
速度变换与加速度变换
du v v u a x x x ax dt 正 v v y y
vz vz
ay ay az az
a x ax a y ay az az
du v x v u ax a x x dt 逆 v v y y a y a y vz vz az az
3. 经典电磁理论不满足伽利略相对性原理（在后面章节讲）
4. 电子的荷质比 e/m 与速度有关 1901年，W. Kaufmann 测电子的e/m, 发现其与速度
有关. 他假设e不随速度变，则m随速度的增加而增大。
二. 时空的相对性
“横看成岭侧成峰，远近高低各不同” “坐地日行八万里” 在大海中匀速航行的大船上的感觉 萨尔维阿蒂大船 由力学规律无 法知道船的速度
§5.2 狭义相对论的基本概念
洛仑兹变换
爱因斯坦为了解决光在不同参照系的速度问题，进行了 一系列的思维臆想试验。他假定，如果某个人可以以光速运
动，那么他看到的光会是什么样子呢？如果按照伽利略速度
变换式，他应该可以看到静止的光，但这却与麦克斯韦的电 磁学原理相悖；如果按照麦克斯韦的电磁学原理，他应该看
a a
y S
S ′ y′ u
第5章 狭义相对论
2、因果关系 (枪战)
信号的传递
v
u
x1
x
x2
u和v都小于c,故Δ t和 Δ t′同号，也就是说，对 于具有因果关系的两个事 件，在任何不同的两个参 考系中进行观测，两事件 发生顺序相同。
3、由洛仑兹变换看时间延缓
u 即 x 0时 t t t t 2 x c 固有时最短 S 系中两事件发生在同一地点——固有时 4、由洛仑兹变换看长度收缩 u x x ut x
思考：对于π介子参考系，情况如何？
§5.4 长度收缩
length contraction
y S y′ u S′
1.火车静止时测得的长度是固有长度 2.怎么测火车的固有长度及运动长度？
C
x′ 固有时： 两事件发 生在同一地点 A x
o
o
C
A
事件1 车头经过A点
事件2 车尾经过A点
火车 长度
S l ut S l ut
二.同时性的相对性
y S
事件1
S ′ y′ u
t t 0
发一光信号
A 接收到光信号
事件2
x
A
o
B B 接收到光信号
x′
o Einstein train
两事件发生的时间间隔?
S 系，事件1、事件2 同时发生 S 系，事件1先发生、事件2 后发生
说明 同时性的相对性 当速度远远小于 c 时，两个惯性系结果相同 沿两个惯性系相对运动方向发生的两个事件， 在其中一个惯性系中表现为同时的，在另一个 惯性系中观察，则总是在前一惯性系运动的后 方的那一事件先发生。
t t 2 t1
x x2 x1 x x 2 x1
相对论简介课件PPT
时间膨胀是由于观察同一个物理过程 的参照系之间时间测量标准不同所导 致的，与光速不变原理密切相关。
时间膨胀现象
当观察同一个物理过程的参照系之间 相对运动时，时间会变慢，即时间膨 胀现象。
长度收缩现象及解释
长度收缩定义
长度收缩是指观察同一个物体的 长度在运动的参照系中会比静止
的参照系中更短。
长度收缩现象
03 广义相对论主要内容
等效原理及其意义
01
02
03
等效原理的表述
在局部范围内，加速系中 的物理规律与均匀引力场 中的物理规律完全相同。
等效原理的意义
揭示了引力与加速系中惯 性力之间的等效性，为广 义相对论的建立奠定了基 础。
实验验证
通过自由落体实验、扭秤 实验等验证了等效原理的 正确性。
时空弯曲概念与模型
04 相对论在物理学领域应用
粒子物理学中相对论效应
粒子速度接近光速时，时间膨胀 和质量增加的现象变得显著。
相对论提供了描述高速粒子行为 的数学框架，如狄拉克方程等。
在粒子加速器和高能物理实验中， 必须考虑相对论效应对粒子轨迹
和能量的影响。
天文学中恒星演化模型
相对论对于理解恒星内部结构 和演化过程至关重要。
发展新的相对论应用领域
相对论在航空航天、全球定位系统等领域的应用已经取得了显著成效， 未来有望在更多领域发掘相对论的应用潜力。
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原子钟精确计时原理
利用原子能级跃迁时释放的精确频率作为计时标准，同时 考虑相对论效应对原子钟计时精度的影响，确保原子钟的 长期稳定性和准确性。
原子钟的应用
广泛应用于航空航天、通信、导航等领域，提高了时间计 量的准确性和精度。
狭义相对论的内容
狭义相对论的内容
狭义相对论是爱因斯坦于1905年提出的一种牛顿力学的补充，它从一个全新的角度重新定义了时间和空间的概念。
相对论的基本思想是所观察到的物理规则不会随着观察者的运动而发生改变。
在狭义相对论的框架下，时间和空间并不是绝对的。
一个事件在不同的参考系中，其时间和空间的测量可能会有所不同。
这一结论表明了我们对于时间和空间的感知是相对的，所以我们必须把它们统一为时空。
狭义相对论引入了著名的爱因斯坦相对性原理，即所有运动规律在所有的恒定速度相对于彼此的惯性参考系中都是一样的。
这一原理颠覆了经典力学中的绝对时空观念，打破了牛顿力学中的惯性定律。
相对论还发现了著名的质能等价原理，即质量与能量是等价的。
这一发现揭示出物体的质量并不是一个固定不变的特征，而是与物体的速度和能量有关的。
我们通常所说的爆炸、核裂变等过程都是质能转化的过程。
狭义相对论还说明，光速对于所有的观察者都是相同的。
这一定律打破了经典物理学中对时间和空间的观念。
总之，狭义相对论是一种相对于牛顿力学的全新理论，它颠覆了经典力学中的绝对时空观念，重新定义了时空的概念。
通过狭义相对
论的研究，我们能够更深刻地了解宇宙的本质，从而推动科学技术的进步。
第二十章 狭义相对论
二.“以太”模型 当时科学家认为：光波的传播需要一种弹性介质， 光速就是光振动的相位相对于介质的传播速度。 在真空中也存在这种介质，这种介质叫以太。
三.爱因斯坦的狭义相对论原理 狭义：指参考系都是惯性参考系（静止或匀速）
1.在一切惯性系中，真空中的光速度都具有相同的值c —— 光速不变原理
8
真空中的光速c 3 10 m / s
2.在一切惯性系中，物理规律都是相同的
-----狭义相对性原理
Einstein 的相对性理论是Newton理论的发展
三、长度收缩效应
1、本征长度（固有长度） 在相对于被测物体静止的参照系中测量的物体长度叫 做物体的固有长度或本征长度；而在相对被测物体运动的 参照系测量的物体长度叫运动长度。
在月台参照系（S系）上看，火车司机驾驶火车经过月 台A端点的时间为 t1，经过B端点的时间为 t2，则月台长度为：
L v(t2 t1 ) vt
如果以太存在，地球在以太中运动，地球上的观察 者会感受到以太风。
光对地球上的观察者的速度（以太为静止参考系）：
c c v
c为光对以太的速度 v为地球相对以太的速度
迈克尔逊-莫雷实验
迈克尔逊-莫雷实验的零结果
导致两种理解： （1）没有以太 （2）以太和迈克尔逊仪干涉仪一起运动 但第二种理解与光行差实验矛盾。 光行差实验结果表明如果有以太，以太并没有 被拖动，以太是绝对静止的。 结合迈克耳逊-莫雷实验和光行差实验的结果，得 到如下结论：没有以太，电磁规律对所有惯性系等 价，真空中的光速在任何惯性参考系下都是c .
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。
狭义相对论
1905年，爱因斯坦在科学史上创造了史无前例的奇迹。这
一年的3月到9月半年中，利用业余时间发表了 6 篇论文，在 物理学 3 个领域作出了具有划时代意义的贡献 — 创建了光
量子理论、狭义相对论和分子运动论。
爱因斯坦在1915年到1917年的3年中，还在 3 个不同领
域做出了历史性的杰出贡献 — 建成了广义相对论、辐射
电磁学定律
1. 否定相对性原理的普遍性，承认惯性系对电磁学定 律不等价，寻找电磁学定律在其中成立的特殊惯性系。
2. 改造电磁学理论，重建具有对伽利略变换不变性的 电磁学定律。 3. 重新定位伽利略变换，改造经典力学，寻求对电磁 理论和改造后的力学定律均为对称操作的“新变换”。 途径1、2无一例外遭到失败， 爱因斯坦选择 3、取得成功。
设 x 坐标变换满足线性关系：
x k x ut x k x ut
k k 1 1 u2 c 2
洛仑兹坐标变换:
x x ut 1 u c2
2
x
x ut
2
正 变 换
y y z z u t 2 x c t u2 1 2 c
★两朵小乌云
迈克耳逊——莫雷光速不变实验
黑体辐射实验
狭义相对论 量 子 力 学
近代物理学的两大支 柱，逐步建立了新的 物理理论。
强调 近代物理不是对经典理论的补充，而是全新的理论。
近代物理不是对经典理论的简单否定。
★相对论的思想基础
对称性观念 一切惯性系对物理定律等价——狭义相对论 惯性系和非惯性系对物理定律等价——广义相对论
第 12 章 狭义相对论力学
爱因斯坦 (Einstein)
本章内容
狭义相对论简介
1 m0 v 2 2
1 2 Ek m0 v 2
这就是我们过去熟悉
的动能表达式，这也能让 我们看出，牛顿力学是相 对论力学在低速情况下的 特例．
补充:相对论中动量和能量的关系
E mc 2
消去速度v
m0c 2 1 v / c
2 2
p mv
m0 v 1 v2 / c2
• 19世纪末的经典物理
– 牛顿力学——17世纪后期建立(牛顿、哈密顿、 拉格朗日等） – 电磁学理论——19世纪中期建立（法拉第、麦 克斯韦） – 热力学与统计物理——18世纪末到19世纪末建 立（卡诺、焦耳、克劳修斯、麦克斯韦等）
一、矛盾的出现:
经典的相对性原理（伽利略相对性原理）：
相对于一个惯性系作匀速直线运动的一切参考系 都是惯性系，即：对于物理学规律来说，一切惯性系 都是等价的。
Ek E E0
Ek m0 c 2 v 1 c
2
E mc
2
m0 c
2
2
E0 m0c 2
v 1 c
v 1 c
1v 1 2c
2
2
Ek
1 v m0 c 2 m0 c 2 m0 c 2 2 c 1v 1 2c
2
∆t
∆ t'
1 v / c
2
更严格的推导表明， 此式子具有普遍的意义。
由于运动，火车上的时间进程变慢了，即其中一切 物理化学进程，乃至观察者自己的生命节奏都变缓了， 但车上的人没有感觉，反而认为地面上的进程慢了。
一个惯性系中，运动的钟比静止的钟走 的慢，这种效应叫爱因斯坦时间延缓或时 间膨胀，又叫钟慢效应。
大学物理学上册第六节课件
得：
vx u, vy vy 1 u2 / c2 c 1 u2 / c2 , vz 0
由此可得光子在S’系中的速度的大小为
v vx2 vy2 vz2
u2 c2 u2 c
即观察者测得光子的速度大 小仍为c，
光子运动方向与轴之间的
故 c 应与参考系无关。即在任何参考系中测得光在真空中的速
率都应该是同一数值。迈克尔逊-莫雷实验多次反复测量的结
果表明真空中的光速沿各个方向都相同，且等于c
但在经典理论中，c 为S系中的光速，c′ 为S′系的光速，则由
伽利略变换得：c′=c±u，u 为S′相对S的速率，±表示c 与u 的方
向相反或相同。说明在S′系中光沿各方向传播速率是不同的， 只有一个特殊的惯性系。麦克斯韦方程组才严格成立。
ax ay
a
z
az
速度变换
加速度变换
对两个物理事件 S系中 (x1 ,y1, z1, t1) (x2 ,y2 ,z2, t2)
S 系中 ( x1' , y1' , z1' , t1' )
( x'2 , y'2 , z'2 , t2' )
同时性是绝对的；时间的测量是绝对的；长度测量是绝对的
对力学规律而言，所有惯性系都是等价的。或：对于任何惯 性系，牛顿力学的规律具有相同的形式。经典力学中所有基本 定律都具有伽利略变换不变性。
t
t
ux c2
1u2 / c2
洛 仑
x
x ut 1u2 / c2
兹
y y
逆 z z
变 换
t
t
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狭义相对论的发展史
狭义相对论是一门探讨时空结构和物质运动规律的理论，由德国物理学家爱因斯坦于1905年提出并发展起来。
狭义相对论的发展历程可以追溯到19世纪末的电磁学理论。
19世纪末，电磁学理论的发展取得了巨大的成就，麦克斯韦方程组的建立使人们对电磁场的本质有了更深入的认识。
然而，当科学家们试图将电磁学理论与牛顿力学统一时，却遇到了困难。
根据经典力学，光在空气中的速度应该是一个固定值，而根据电磁学理论，光在空气中的速度应该受到空气中电荷的影响。
这一矛盾引发了科学家们对时空结构和物质运动规律的重新思考。
在此背景下，爱因斯坦在1905年提出了狭义相对论。
狭义相对论主要包括两个基本假设：光速不变原理和等效原理。
光速不变原理指出，光在真空中的速度是一个恒定不变的值，与光源的运动状态无关。
等效原理则认为，惯性系中的物理规律在所有惯性系中都成立。
这两个基本假设打破了牛顿力学的观念，改变了人们对时空结构的认识。
根据狭义相对论的基本原理，爱因斯坦推导出了著名的洛伦兹变换，描述了时空坐标系的变换规则。
洛伦兹变换使得时间和空间的测量在不同惯性系中都具有相对性，即观察者的运动状态会影响到时间和空间的测量结果。
这种观念的提出颠覆了牛顿力学中绝对时间和
空间的观念，引发了科学界的轰动。
狭义相对论的提出并没有立即得到广泛的认可和应用，科学界对这一新理论持有怀疑态度。
然而，随着实验证据的不断积累，狭义相对论逐渐被证实。
著名的迈克尔逊-莫雷实验以及后来的时间膨胀实验等都提供了对狭义相对论的有力支持。
狭义相对论的发展也催生了许多重要的物理学概念和理论。
爱因斯坦提出了质能关系E=mc²，揭示了质量和能量之间的等价关系。
此外，爱因斯坦还发展了相对论力学，解决了牛顿力学无法解释的一些现象，如光电效应和电子的相对论运动等。
狭义相对论的发展对物理学产生了深远的影响。
它不仅推动了时空结构和物质运动规律的研究，也对现代科技的发展做出了巨大贡献。
狭义相对论的基本原理和推论已经在众多领域得到了应用，如卫星导航系统、粒子加速器和核能技术等。
总结起来，狭义相对论的发展经历了从电磁学理论的困境到新理论的提出和验证的过程。
它打破了牛顿力学的观念，改变了人们对时空结构和物质运动规律的认识。
狭义相对论的发展不仅推动了物理学的进步，也对现代科技的发展产生了深远的影响。
狭义相对论的发展史是科学探索历程中的一段辉煌篇章，也是人类思维从经典到现代的一次伟大的飞跃。