狭义相对论建立过程中的两个问题及爱因斯坦介绍
1、 马赫对经典时空观的批判
牛顿的绝对时空观早在1883年就受到过批判。奥地利物理学家马赫1883年出版了《力学及其发展的历史批判概论》。他在此书中写到：“我们不要忘记世界上的一切事物都是相互依赖的，并且我们本身和我们的所有思想也是世界的一部分。”关于绝对时间“他即无使用价值也无科学价值，没有一个人提出证据说他知道关于绝对时间的任何东西。绝对时间是一种无用的形而上学的概念。”这本书流传很广，对爱因斯坦创立相对论起到了积极的作用。
2、“以太”假说的兴衰
17世纪法国哲学家笛卡尔为了证明“真空不变”，首先提出“以太”假说。当时认为以太是一种极其细小和轻微的物质，他无孔不入，充满整个宇宙空间。他是光传播的媒质。在宇宙中又是传播星体间相互作用力的媒质。这在当时有积极意义。
18世纪牛顿体系建立，认为力是超距作用，无须用“以太”做媒质，“以太”被抛弃。 19世纪光的波动说占上峰，“以太”说又抬头，惠更斯称“光以太”。法拉第后来称他为“电磁以太”（认为它是引起带电体、磁化物体等相互作用的原因）。麦克斯韦将两种以太统一起来，光或电磁波在以太中传播。门捷列夫在元素周期表中将以太称为原子序数为零的物质。 光是一种横波，横波在媒质中的传播速率为ρG V =，G 是切变模量，ρ是介质密度。由于V 很大，要么ρ很小，即以太密度很小，要么G 很大，即介质的刚性很强。人们在地面上跑不感到阻力很大，行星绕太阳旋转也不受阻力。这些都说明以太本身存在着矛盾。 以太说的合理思想是“真空不空”。真空的确不空，真空态是量子场的基态。
3、爱因斯坦简介
1879年3月14日出生在德国乌尔姆城，一个犹太人家中。父亲为工程师兼小业主。80年迁往慕尼黑。他四岁才会讲话，性格孤僻，好幻想，除数学外其它成绩较差，无中学毕业文凭。后家搬到意大利。1896年（17岁）进瑞士苏黎士工业大学师范系理论物理专业。4年大学成绩仍较差，但拿到毕业文凭。大学期间常独自钻研和做实验，看了大量科学书籍。1900年毕业即失业，做了许多临时工作，1902年经朋友介绍进专利局当职员。
经过多年潜心研究，爱因斯坦1905年发表“相对论”（论动体的电动力学），同年还发表多篇有重要价值论文（主要是成功解释光电效应、有关布郎运动等）。1909年成为大学教授。1916年创广义相对论。1921年获诺贝尔物理奖（因成功解释光电效应）。1923年起开始研究“统一场”理论。1940年加入美国国籍。后期写了多部著作，一生发表论文200多篇。1955年4月18日逝世，终年76岁。没举行葬礼，火化，无坟墓，无纪念碑。大科学家郎之万对他有很高的评价：人类宇宙中有头等光辉的一颗明星，他的伟大至少可与牛顿相比拟。
习题6 6-1．设固有长度m 50.20 =l 的汽车，以 m /s 0.30=v 的速度沿直线行驶，问站在路 旁的观察者按相对论计算该汽车长度缩短了多 少？ 解：l l =，由泰勒展开， 21 12x =-+ ∴2 2 112u c ≈-，2 140021 1.25102u l l l l m c -?=-=?=?。 6-2．在参考系S 中，一粒子沿直线运动，从坐标 原点运动到了m 105.18 ?=x 处，经历时间为s 00.1=t ?，试计算该过程对应的固有时。 解：以粒子为S '系，利 用t '?=? 0.866t s '?==。 6-3．从加速器中以速度c v 8.0=飞出的离子在它的运动方向上又发射出光子。求这光子相对于加速器的速度。 解：设加速器为 S 系，离子为S '系，利用： 21x x x v u v uv c '+='+， 则 ： 220.80.8 11x x x v u c c v c uv c c c c '++==='?+ + 。 6-4 1000m 的高空大气层中产生了一个π介子，以速度0.8v c =飞向地球,假定该 π介子在其 自身的静止参照系中的寿命等于其平均寿命 62.410s -×，试分别从下面两个角度，即地 面上观测者相对π介子静止系中的观测者来判断 该π介子能否到达地球表面。 解：（1）地面上的观察者认为时间膨胀： 有 t ?= ， ∴ 66 410410.8)t s a -?=? 由 860.83104109601000l v t m m -=?=????=<，∴到达不了地球； （2）π介子静止系中的观测者认为长度收缩： 有l l =， ∴ .8) 1 016 l m == 而 682.4100.8310576600s v t m m -=?=????=<，∴到达不了地球。 6-5 长度0 1m l =的米尺静止于'S 系中，与 x ′轴的夹角'θ=30° ，'S 系相对S 系沿x 轴运动，在S 系中观测者测得米尺与x 轴夹角为 =θ45° 。试求：（1）'S 系和S 系的相对运动速度。（2）S 系中测得的米尺长度。 解：（1）米尺相对S '静止，它在,x y ''轴上的 投影分别为： 0cos 0.866m x L L θ''==，
第5章 狭义相对论 习题及答案 1. 牛顿力学的时空观与相对论的时空观的根本区别是什么？二者有何联系？ 答：牛顿力学的时空观认为自然界存在着与物质运动无关的绝对空间和时间，这种空间和时间是彼此孤立的；狭义相对论的时空观认为自然界时间和空间的量度具有相对性，时间和空间的概念具有不可分割性，而且它们都与物质运动密切相关。在远小于光速的低速情况下，狭义相对论的时空观与牛顿力学的时空观趋于一致。 2. 狭义相对论的两个基本原理是什么？ 答：狭义相对论的两个基本原理是： （1）相对性原理 在所有惯性系中，物理定律都具有相同形式；（2）光速不变原理 在所有惯性系中，光在真空中的传播速度均为c ,与光源运动与否无关。 3．你是否认为在相对论中，一切都是相对的？有没有绝对性的方面？有那些方面？举例说明。 解 在相对论中，不是一切都是相对的，也有绝对性存在的方面。如，光相对于所有惯性系其速率是不变的，即是绝对的；又如，力学规律，如动量守恒定律、能量守恒定律等在所有惯性系中都是成立的，即相对于不同的惯性系力学规律不会有所不同，此也是绝对的；还有，对同时同地的两事件同时具有绝对性等。 4．设'S 系相对S 系以速度u 沿着x 正方向运动，今有两事件对S 系来说是同时发生的，问在以下两种情况中，它们对'S 系是否同时发生？ （1）两事件发生于S 系的同一地点； （2）两事件发生于S 系的不同地点。 解 由洛伦兹变化2()v t t x c γ'?=?-?知，第一种情况，0x ?=，0t ?=，故'S 系中0t '?=，即两事件同时发生；第二种情况，0x ?≠，0t ?=，故'S 系中0t '?≠，两事件不同时发生。 5-5 飞船A 中的观察者测得飞船B 正以0.4c 的速率尾随而来，一地面站测得飞船A 的速率为0.5c ，求： （1）地面站测得飞船B 的速率； （2）飞船B 测得飞船A 的速率。 解 选地面为S 系，飞船A 为S '系。 （1）'0.4,0.5x v c u c ==，2'3 41'x x x v u v c v v c += =+ （2）'0.4BA AB x v v v c =-=-=- 5.6 惯性系S ′相对另一惯性系S 沿x 轴作匀速直线运动，取两坐标原点重合时刻作为计时起点．在S 系中测得两事件的时空坐标分别为1x =6×104 m,1t =2×10-4 s ，以及2x =12×104 m,2t =1× 10-4 s ．已知在S ′系中测得该两事件同时发生．试问： (1)S ′系相对S 系的速度是多少? (2) S '系中测得的两事件的空间间隔是多少? 解: 设)(S '相对S 的速度为v ， (1) )(12 11 x c v t t -='γ
篇名 愛因斯坦的相對論 作者 郭展嘉。國立虎尾高中。一年三班申建霖。國立虎尾高中。一年三班李憲昌。國立虎尾高中。一年三班
在我們的國中階段物理化學課已經學到了不少科學家與物理學家，上了高中之後，我們最常聽到的物理學家的名字就是屬於「愛因斯坦」了! 因為他的相對論造成了革命性的變化〈至今還沒有人能夠推翻他的學說〉，也是因為之前有人想解剖他的腦袋做觀察他為什麼會那麼地聰明，所以引發我們想了解他的動機；也剛好有這個小論文的機會所以我們國文老師指派了一個任務給我們班所有人，藉著這次機會我開始和組員一起開始對愛因斯坦做了更深入的研究。 貳●正文 一.愛因斯坦生平簡介 01.1902年任職於瑞士專利局，工作乏味，下班後在家中進行自已所喜 歡的研究。 02. 在他26歲時，也就是1905年，愛因斯坦共計發表了3篇論著{光電效應、分子論的布朗運動、電力學的相對論}，其中第二篇光電效應使他在1921年榮獲諾貝爾物理獎。最引人注目的是他所提出相對論的質量和能量的關係，這兩者是一體的兩面，可以互相轉換，這導致核能的實現(質量的損失可以轉變成能量)。 03. 1912年秋天愛因斯坦回瑞士母校任教，他的座右銘為「研究的目的在追求真理」，時常告誡學生不要選擇輕鬆的途徑。 04. 在一九一五年十一月四日向柏林科學院提出有名的「廣義相對論」。其中曾斷言太陽的重力場會使通過太陽附近的星光彎曲，但是平常陽光太強無法觀測。按照當時一般的看法，光既非物質點所組成，在太陽的重力場裏，光理應以直線進行，不應該受到太陽的影響。愛因斯坦不尋常的主張自然引起了爭論，幸好愛因斯坦的理論終於找到了個試驗的機會。 05. 1938年德國在希特勒統治下已經發現以中子撞擊鈾會產生核分裂 的現象。美國科學家乃上書羅斯福總統，由愛因斯坦具名簽署，信中建議展開鈾實際用途的研究，終於研製出核武器。第二次世界大戰戰後愛因斯坦倡議原子能的和平用途，阻止戰爭的再發生。為本世紀的科學巨人。〈註一〉
习题 6-1. 设固有长度m 50.20=l 的汽车，以m/s 0.30=v 的速度沿直线行驶，问站在路旁的观察者按相对论计算该汽车长度缩短了多少？ 解：)(12 20 c v l l -= 2 222 211)(1c v c v - ≈- m c v l l l l 14 2 2001025.121-?=?=-=? 6-2. 在参考系S 中，一粒子沿直线运动，从坐标原点运动到了m 105.18 ?=x 处，经历时间为 s 00.1=t ?，试计算该过程对应的固有时。 解：以粒子为S '系 s c v t t 866.0)(122=-?='? 6-3. 从加速器中以速度c v 8.0=飞出的离子在它的运动方向上又发射出光子。求这光子相对于加速器的速度。 解：设加速器为S 系，离子为S '系 c c v u u v v x x x ='++'= 21 6-4. 两个宇宙飞船相对于恒星参考系以0.8c 的速度沿相反方向飞行，求两飞船的相对速度。 解：设宇宙船A 为S 系，速度0.8c ，宇宙船B 为S '系，速度0.8c - 根据洛伦兹速度变换公式：'' 2 1x x x v u v uv c +=+，有： 2 0.80.80.81c u c cu c -+=-+ 0.976 u c = 6-5. 从S 系观察到有一粒子在01=t 时由m 1001=x 处以速度c v 98.0=沿x 方向运动，s 10后到达2x 点，如在S '系(相对S 系以速度c u 96.0=沿x 方向运动)观察，粒子出发和到达的时空坐标 2211 ,,,x t x t ''''各为多少？(0='=t t 时，S '与S 的原点重合)，并算出粒子相对S '系的速度。 解：s c c c c c v x c u t t 62222 121110147.1)96.0(110096.00)(1-?=-?-=-- ='
第5章 狭义相对论 习题及答案 1. 牛顿力学的时空观与相对论的时空观的根本区别是什么？二者有何联系？ 答：牛顿力学的时空观认为自然界存在着与物质运动无关的绝对空间和时间，这种空间和时间是彼此孤立的；狭义相对论的时空观认为自然界时间和空间的量度具有相对性，时间和空间的概念具有不可分割性，而且它们都与物质运动密切相关。在远小于光速的低速情况下，狭义相对论的时空观与牛顿力学的时空观趋于一致。 2.狭义相对论的两个基本原理是什么？ 答：狭义相对论的两个基本原理是： （1）相对性原理 在所有惯性系中，物理定律都具有相同形式；（2）光速不变原理 在所有惯性系中，光在真空中的传播速度均为c ,与光源运动与否无关。 3．你是否认为在相对论中，一切都是相对的？有没有绝对性的方面？有那些方面？举例说明。 解 在相对论中，不是一切都是相对的，也有绝对性存在的方面。如，光相对于所有惯性系其速率是不变的，即是绝对的；又如，力学规律，如动量守恒定律、能量守恒定律等在所有惯性系中都是成立的，即相对于不同的惯性系力学规律不会有所不同，此也是绝对的；还有，对同时同地的两事件同时具有绝对性等。 4．设'S 系相对S 系以速度u 沿着x 正方向运动，今有两事件对S 系来说是同时发生的，问在以下两种情况中，它们对'S 系是否同时发生？ （1）两事件发生于S 系的同一地点； （2）两事件发生于S 系的不同地点。 解 由洛伦兹变化2()v t t x c γ'?=?- ?知，第一种情况，0x ?=，0t ?=，故'S 系中0t '?=，即两事件同时发生；第二种情况，0x ?≠，0t ?=，故'S 系中0t '?≠，两事件不同时发生。 5-5 飞船A 中的观察者测得飞船B 正以0.4c 的速率尾随而来，一地面站测得飞船A 的速率为0.5c ，求： （1）地面站测得飞船B 的速率； （2）飞船B 测得飞船A 的速率。 解 选地面为S 系，飞船A 为S '系。 （1）'0.4,0.5x v c u c ==，2'341'x x x v u v c v v c +==+ （2）'0.4BA AB x v v v c =-=-=- 5.6 惯性系S ′相对另一惯性系S 沿x 轴作匀速直线运动，取两坐标原点重合时刻作为计时起点．在S 系中测得两事件的时空坐标分别为1x =6×104m,1t =2×10-4s ，以及2x =12×104 m,2t =1×10-4 s ．已知在S ′系中测得该两事件同时发生．试问： (1)S ′系相对S 系的速度是多少? (2)S '系中测得的两事件的空间间隔是多少? 解: 设)(S '相对S 的速度为v ， (1) )(12 11x c v t t -='γ
爱因斯坦讲的相对论的故事读后感 导读：爱因斯坦讲的相对论的故事读后感1 同学们，你们都知道伟大的物理学家爱因斯坦吧！那肯定也听说过他那伟大的相对论理论。众所周知，相对论是由伟大的科学家爱因斯坦创立的，分成广义相对论和狭义相对论。 而相对论是关于时空和引力的基本理论，在大学的物理学科才有所涉及，那些深奥的理论是不是已经让你望而却步了呢？别，请走上前来，看看这本书——云南教育出版社出版的《爱因斯坦讲的相对论的故事》，跟伟大的爱因斯坦一起走上“相对论”的旅途吧！ 记得小学一年级时，一位老师告诉过我，按照相对论，如果人类能够发明比光还快的机器就能够穿越时空，回到古代社会。如果找到虫洞，并且能够放大、移动虫洞的位置，就可以去往未来。多么神奇！ 一直以来，我就对相对论很感兴趣。可惜，妈妈帮我找到的资料都很难懂，不过这本书可非常有趣，让我爱不释手。因为深入浅出是这本书的特色，高深的理论知识在一个个简单常见的例子中变得简单明了，虫洞、黑洞、时间机器等不再是一个个枯燥无味的词语。即使你是一个物理零基础的孩子，只要用心读这本书。相信它也会让你“赖”上物理，爱上科学！ 这本书分成九课，都是以爱因斯坦为主讲老师，给孩子讲课的形式来给我们传播知识的。 分别是第一课什么是速度？
第二课光的速度不会变？ 第三课能够到达未来吗？ 第四课对于运动中的人来说，距离变短了。 运动会使物体的重量发生变化。 宇宙是什么样的呢？ 地球拉住了布娃娃。 重力使光线变得弯曲。 能够吸引一切的黑洞。其中我最感兴趣的是第九课，因为读了这一章节之后，我解开了一直藏在心里的谜团——为什么地球没有被虫洞吸进去。 这是因为：重力越大吸引力也越大，黑洞是一个拥有巨大重力的天体，到了黑洞附近，任何物体都逃脱不了它那强大的吸引力。那么为什么地球还依然存在呢？因为，虽然宇宙里有很多黑洞，但是那些黑洞只能吸引一定距离内的物体，距离越远，黑洞的引力就越小。也就是说，地球是位于黑洞的边界线之外，所以它不会被黑洞吸进去。哈哈，可真有趣。 爱因斯坦说过：学习知识要善于思考，思考，再思考。我就是靠这个方法成为科学家的。我们小学生也要通过阅读，思考，让自己有更多的收获。即使不能成为科学家，也可以丰富自己的学识，让有趣的科学知识伴我们成长。大家一起来读书吧！ 爱因斯坦讲的相对论的故事读后感2
爱因斯坦和他的相对论爱因斯坦的相对论说明了什么 爱因斯坦是本世纪的一位伟大的科学家。他在统计物理学、量子理论、辐射量子理论方面作出了杰出贡献。他建立的相对论，标志着现代物理学的诞生，对物理学、现代科学技术和现代哲学思想带来了革命性的影响。列宁称他为“伟大的自然科学革新家”。 学习、思考、勤奋的一生 1879年3月14日，阿耳伯特·爱因斯坦生于德国乌尔姆一个犹太人的家庭。 爱因斯坦小时并不显得很聪明，但却很爱动脑筋。五岁时，父亲送给他一个指南针，他玩得入了迷，无论怎么颠来倒去地摆弄它，小针总是指着一个方向，他沉思着这里必然隐藏着自然界的奥秘。爱因斯坦的小学、中学是在慕尼黑上的，学习成绩并不好。他十分讨厌当时德国的教育制度，提倡死记硬背拉丁文和希腊文的文法规则，填鸭式的教育方法。他爱好独立思考，渴望探索自然界的奥秘。 爱因斯坦十五岁时，跟随父母迁居到意大利的米兰。不久又进入瑞士阿劳中学学习。这里的学风和慕尼黑市大不相同，着重培养学生的独立思考能力和工作能力，自由空气很浓，学生不必死记硬背。学校有许多小实验室，摆着许多实验仪器和标本，学生可 __地去做
实验。这样的学习环境对爱因斯坦来说真是太好了。他在这里学习了一年，取得中学毕业证书后，未经考试进入了当时中欧一带著名的大学——苏黎世工科大学师范系学习物理。 爱因斯坦在大学里也不是一个优等生。他对一些学科不感兴趣，考试成绩较差，而把全部精力都化在钻研有兴趣的数学和物理学上。他喜欢在实验室里工作，同实验直接打交道。他对当时大学物理教学内容的落后状况，对教授只讲一些应用性的物理原理，对自然现象缺乏探索精神，很不满意。爱因斯坦只得坚持勤奋的自学，来不断增长自己的科学知识。 1900年夏天，爱因斯坦大学毕业。1902年，在一位朋友的帮助下，进了伯尔尼瑞士专利局工作。他的任务是负责对申请专利权的各种发明创造提出审查意见。这一工作使他有机会能接触到许多新的思想和有趣的意见，培养了能够迅速抓住事物本质的不寻常的能力，这对他的物理思想也有重大的激励作用。他白天工作，晚上和假日研究感兴趣的物理问题。1905年，他获得了惊人的突破。一年之内，连续发表了有关布朗运动、量子理论和相对论三篇划时代的论文，这三项重大成就奠定了现代物理学的基础。这在自然科学史上是独一无二的。
狭义相对论基础习题解答 一 选择题 1. 判断下面几种说法是否正确 ( ) (1) 所有惯性系对物理定律都是等价的。 (2) 在真空中，光速与光的频率和光源的运动无关。 (3) 在任何惯性系中，光在真空中沿任何方向传播的速度都相同。 A. 只有 (1) (2) 正确 B. 只有 (1) (3) 正确 C. 只有 (2) (3) 正确 D. 三种说法都正确 解：答案选D 。 2. (1)对某观察者来说，发生在某惯性系中同一地点、同一时刻的两个事件，对于相对该惯性系作匀速直线运动的其它惯性系中的观察者来说，它们是否同时发生？ (2)在某惯性系中发生于同一时刻、不同地点的两个事件，它们在其它惯性系中是否同时发生？ 关于上述两个问题的正确答案是：( ) A. (1) 同时， (2) 不同时 B. (1) 不同时， (2) 同时 C. (1) 同时， (2) 同时 D. (1) 不同时， (2) 不同时 解：答案选A 。 3．在狭义相对论中，下列说法中哪些是正确的？( ) （1） 一切运动物体相对于观察者的速度都不能大于真空中的光速. （2） 质量、长度、时间的测量结果都随物体与观察者的相对运动状态而改变 （3） 在一惯性系中发生于同一时刻，不同地点的两个事件在其他一切惯性系中也是同时发生的. （4） 惯性系中的观察者观察一个与他作匀速相对运动的时钟时，会看到这时钟比与他相对静止的相同的时钟走得慢些。 A. (1)，(3)，(4) B. (1)，(2)，(4) C. (1)，(2)，(3) D. (2)，(3)，(4) 解：同时是相对的。 答案选B 。 4. 一宇宙飞船相对地球以0.8c 的速度飞行，一光脉冲从船尾传到船头。飞船上的观察者测得飞船长为90m ，地球上的观察者测得光脉冲从船尾发出和到达船头两个事件的空间间隔为 ( ) A. 90m B. 54m C. 270m D. 150m 解： ?x ′=90m, u =0.8 c , 87 90/(310)310s t -'?=?=?
ON THE ELECTRODYNAMICS OF MOVING BODIES By A. Einstein June 30, 1905 It is known that Maxwell's electrodynamics--as usually understood at the present time--when applied to moving bodies, leads to asymmetries which do not appear to be inherent in the phenomena. Take, for example, the reciprocal electrodynamic action of a magnet and a conductor. The observable phenomenon here depends only on the relative motion of the conductor and the magnet, whereas the customary view draws a sharp distinction between the two cases in which either the one or the other of these bodies is in motion. For if the magnet is in motion and the conductor at rest, there arises in the neighbourhood of the magnet an electric field with a certain definite energy, producing a current at the places where parts of the conductor are situated. But if the magnet is stationary and the conductor in motion, no electric field arises in the neighbourhood of the magnet. In the conductor, however, we find an electromotive force, to which in itself there is no corresponding energy, but which gives rise--assuming equality of relative motion in the two cases discussed--to electric currents of the same path and intensity as those produced by the electric forces in the former case. Examples of this sort, together with the unsuccessful attempts to discover any motion of the earth relatively to the ``light medium,'' suggest that the phenomena of electrodynamics as well as of mechanics possess no properties corresponding to the idea of absolute rest. They suggest rather that, as has already been shown to the first order of small quantities, the same laws of electrodynamics and optics will be valid for all frames of reference for which the equations of mechanics hold good.1 We will raise this conjecture (the purport of which will hereafter be called the ``Principle of Relativity'') to the status of a postulate, and also introduce another postulate, which is only apparently irreconcilable with the former, namely, that light is always propagated in empty space with a definite velocity c which is independent of the state of
爱因斯坦创建狭义相对论的思想启示 12级物理一班段延波1207020016 在《物理学史》6.2节，我们学习了爱因斯坦创建狭义相对论的经过。而在爱因斯坦创建狭义相对论的过程中，最令我在意的还是爱因斯坦的思想发展，所以，我查阅了文献资料，研究学习了爱因斯坦在创建狭义相对论的过程中的思想，特在此进行简短阐述。 一、善于提问与不畏权威 阿尔伯特爱因斯坦小时候并不写的才华出众，直到五岁话还说不清楚，曾被医生认为发育不正常，不过他很爱思考，总是像大人盘问“为什么？”有强烈的求知欲和好奇心。例如四五岁时就对罗盘发生过浓厚兴趣，“为什么罗盘的指针总是指向南北，这里一定有什么东西深刻的隐藏在事物后面”爱因斯坦后来回忆时这么说。12岁时他对几何定理的神奇也深有触动。例如他曾想到，“三角形的三个高交于一点，虽然不是显而易见，却可以可靠地加以证明，以至于任何怀疑似乎不可能”他说“这种明晰性和可靠性给我造成了一种难以形容的印象。” 正是源于这种对世界和学问的好奇与质疑, 促使爱因斯坦如饥似渴地读书, 天马行空地思考问题。 爱因斯坦不喜欢当年德国的教育制度，中学没有毕业就退学在家自学，16岁通过自学掌握了微积分，在爱因斯坦的学习阶段，15岁的爱因斯坦放弃德国国籍，居家迁居意大利，后只身到瑞典的苏黎世，目的是上那里的联邦工业大学，却因不善记忆而没有录取，后来转学到阿劳（Aaeau）中学补习功课。他在自述中写道，“这所学校以他的自由精神和那些毫不依赖外界权威的教师们的淳朴热情，给我留下了难忘的印象”。 “在阿劳这一年中，我想到这样一个问题：倘若一个人以光速跟着光波跑，那么它就处在一个不随时间而改变的波场，但看来不会有，样的事情！这是从狭义相对论有关的第一个朴素的思想实验。”[ 3] 正是这种对事物的好奇和对人类已有知识的质疑, 造就了爱因斯坦, 成为他不断追求科学创新的内在动力, 引导他提出和解决前人不可能提出和解决的问题。
10狭义相对论基础习题思考题
习题10 10-1．一观察者测得运动着的米尺长0.5m ，问此尺以多大的速度接近观察者？ 解：由动尺缩短公式 2 20 1c v l l -=，可得 2 2 115.0c v -?= m/s 106.22 3 8?== c v 10-2．在参考系S 中，一粒子沿直线运动，从坐标原点运动到了m 105.18 ?=x 处，经历时间为s 00.1=t ?，试计算该过程对应的固有时。 解：以粒子为S '系，利用2 2 1()t u c '?=?- 8 2 8 1.510 1()0.866310 t s ?'?=-=?。 10-3．长度0 1m l =的米尺静止于'S 系中，与 x ′ 轴的夹角'θ=30°，'S 系相对S 系沿x 轴运
动，在S 系中观测者测得米尺与x 轴夹角为=θ45°。试求：（1）'S 系和S 系的相对运动速度。（2）S 系中测得的米尺长度。 解：（1）米尺相对S '静止，它在,x y ''轴上的投影分别为： 0cos 0.866m x L L θ''==，0 sin 0.5m y L L θ''==。 米尺相对S 沿x 方向运动，设速度为v ，对 S 系中的观察者测得米尺在x 方向收缩， 而y 方向的长度不变，即：2 21x v L L c =-， y y L L '= 故 ：2 2 tan 1y y x x x L L L L L v L c θ''== = '-。 把ο 45θ=及,y L L ''代入，则得： 220.510.866 v c -=，故 ： 0.816v c = (2)在S 系中测得米尺长度为 0.707m sin 45y L L = =? 。
习题6 6-1．设固有长度m 50.20=l 的汽车，以m/s 0.30=v 的速度沿直线行驶，问站在路旁的观察者按相对论计算该汽车长度缩短了多少 解：l l = 2 112 x =- +L 22112u c ≈-，214002 1 1.25102u l l l l m c -?=-=?=?。 6-2．在参考系S 中，一粒子沿直线运动，从坐标原点运动到了 m 105.18?=x 处，经历时间为s 00.1=t ?，试计算该过程对应的固有时。 解：以粒子为S ' 系，利用t '?=? 0.866t s '?==。 6-3．从加速器中以速度c v 8.0=飞出的离子在它的运动方向上又发射出光子。求这光子相对于加速器的速度。 解：设加速器为S 系，离子为S '系，利用：21x x x v u v uv c '+= '+， 则：220.80.811x x x v u c c v c uv c c c c '++= =='?+ + 。 6-4 1000m 的高空大气层中产生了一个π介子，以速度0.8v c =飞向地球,假定该π介子在其自身的静止参照系中的寿命等于其平均寿命6 2.410s -×，试分别从下面两个角度，即地面上观测者相对π介子静止系中的观测者来判断该π介子能否到达地球表面。 解：（1）地面上的观察者认为时间膨胀： 有t ?= ，∴66410t sa -?= =? 由8 6 0.8310410 9601000l v t m m -=?=????=<，∴到达不了地球； （2）π介子静止系中的观测者认为长度收缩：
有l l = 600l m == 而6 8 2.4100.8310576600s v t m m -=?=????=<，∴到达不了地球。 6-5 长度01m l =的米尺静止于'S 系中，与x ′轴的夹角'θ=30°，'S 系相对 S 系沿x 轴运动，在S 系中观测者测得米尺与x 轴夹角为=θ45°。试求： （1）'S 系和S 系的相对运动速度。（2）S 系中测得的米尺长度。 解：（1）米尺相对S '静止，它在,x y ''轴上的投影分别为： 0cos 0.866m x L L θ''==，0sin 0.5m y L L θ''==。 米尺相对S 沿x 方向运动，设速度为v ，对S 系中的观察者测得米尺在x 方 向收缩，而y 方向的长度不变，即：x L L =，y y L L '= 故 ：tan y y x x L L L L L θ''= = = 把ο 45θ=及,y L L '' 0.5 0.866 =，故 ：0.816v c = (2)在S 系中测得米尺长度为0.707m sin 45y L L ==? 。 6-6 一门宽为a ，今有一固有长度0l (0l ＞a )的水平细杆，在门外贴近门的平面内沿其长度方向匀速运动。若站在门外的观察者认为此杆的两端可同时被拉进此门，则该杆相对于门的运动速率u 至少为多少 解：门外观测者测得杆长为运动长度，l l =，当1a ≤时，可认
狭义与广义相对论浅说 爱因斯坦 .
第一部分狭义相对论·············································································································· ····································································································································································································································· ················································································································································································································· ······································································································· ················································································· ····································································· ············································································································ ············································································································ ························································································································································································································· ··························································································· ······················································································· ······································································································· ··························································································· ······································································································· ··································································································· ·········································································································· ························································································································································································································· ········································ ····························· ······················································································· ·························································································································································································· ················································ ······················································ ······················································································· ···································································· ··················································································· ··················································································· ···························································· ····················································································································································································································· ······························································································· ··············································································· ······························································································· ····························································································· ····················································································· ····························································································· ······································································· (4) 1．几何命题的物理意义 4 2．坐标系 5 3．经典力学中的空间和时间7 4．伽利略坐标系8 5．相对性原理（狭义）8 6．经典力学中所用的速度相加定理10 7．光的传播定律与相对性原理的表面抵触10 8．物理学的时间观12 9．同时性的相对性14 10．距离概念的相对性15 11．洛伦兹变换16 12．量杆和钟在运动时的行为19 13．速度相加定理斐索实验20 14．相对论的启发作用22 15．狭义相对论的普遍性结果22 16．经验和狭义相对论25 17．闵可夫斯基四维空间27 第二部分广义相对论29 18．狭义和广义相对性原理29 19．引力场31 20．惯性质量和引力质量相等是广义相对性公设的一个论据32 21．经典力学的基础和狭义相对论的基础在哪些方面不能令人满意34 22．广义相对性原理的几个推论35 23．在转动的参考物体上的钟和量杆的行为37 25．高斯坐标41 26．狭义相对论的空时连续区可以当作欧几里得连续区43 27．广义相对论的空时连续区不是欧几里得连续区44 28．广义相对性原理的严格表述45 29．在广义相对性原理的基础上解引力问题47 第三部分关于整个宇宙的一些考虑49 30．牛顿理论在宇宙论方面的困难49 31．一个“有限”而又“无界”的宇宙的可能性50 32．以广义相对论为依据的空间结构53 附录54 一、洛伦兹变换的简单推导54 二、闵可夫斯基四维空间（“世界”）57 三、广义相对论的实验证实58 （1）水星近日点的运动59 （2）光线在引力场中的偏转60 （3）光谱线的红向移动62 四、以广义相对论为依为依据的空间结构64 五、相对论与空间问题65
南京航空航天大学 课程名称：自然辩证法 论文题目：爱因斯坦的相对论及其哲学思想 学生姓名：陆想想 班级学号：SX1203225 学科名称：生物医学工程 2012年12月22日
爱因斯坦的相对论及其哲学思想 陆想想 （南京航空航天大学生物医学工程系，江苏省南京市 210016） 摘要：在物理学的发展史上，曾经出现电磁场理论与牛顿力学经典理论相矛盾的情况，众多物理学家坚持牛顿力学是权威，不可能有错，爱因斯坦则选择修改牛顿力学，最终导致相对论的产生。本文介绍了爱因斯坦创立狭义相对论的历史背景，阐述了相对论的历史意义，以及相对论所展现的哲学思想。 关键词：爱因斯坦；相对论；哲学； 0引言 19世纪下半期，麦克斯韦的电磁场理论(包括光波是电磁波的理论)在实验上得到了确认。当时，在物理学家的思想方法中，力学观点占有统治地位。因而一般认为电磁波(或光波)只有在介质中才能传播，并给传播电磁波（或光波）的介质取名为“以太”。但是以太的引入却使电磁场理论和相对性原 理之间出现了不可弥补的裂缝：力学相对性原理指出,所有的惯性系都是平权的；但是对引进了以太以后的电磁场理论来讲以太惯性系却是一个优越的 惯性系。如何解决相对性原理和电磁场理论之间存在的矛盾，物理学家们进行了积极的探索。 1相对论的创立 1.1物理学发展出现矛盾 1687年，牛顿的绝对时空与运动理论发表，牛顿力学以及伽利略变换统治了物理学两个多世纪。1864年，麦克斯韦建立了统一的电磁场理论——麦克斯韦方程组，由电磁场理论预言了电磁波的存在，并认为光波也是电磁波，提出了光的电磁学说，统一了电磁学和光学。1887年赫兹用实验证实了电磁波的存在，麦克斯韦电磁场理论取得了巨大成功。然而，电磁场的一些规律与牛顿力学理论相矛盾。此时，统治了两个多世纪的牛顿力学与伽利略变换遇到了困难。科学家们纷纷寻求解决困难的方法。 1.2拯救“以太”之路失败 大部分科学家认为，存在一种适用于力学但不适用于电动力学的相对性原理，在电动力学里存在着一个优越的惯性系，即“以太参考系”。相对于以太静止的参照系就是一种较之其它参照系具有 特殊优越性的“绝对参照系”，它对应着牛顿所讲的“绝对空间”。因此，为了拯救“以太”，科学家们进行了一系列探索研究。对双星现象、光行差现象的观察、分析以及斐索实验、迈克尔逊—莫雷实验，得到的结果是否定的，即以太参考系并不存在。 1.3爱因斯坦另辟蹊径 爱因斯坦则要通过修改牛顿力学，以一个既满足力学又满足电动力学的相对性原理来解决矛盾，这样一套理论就是狭义相对论。爱因斯坦在这个理论中，抛弃了以太，抛弃了绝对空间和绝对时间，从根本上改造了经典物理学，建立了一个新的物理学体系。爱因斯坦选择的是一条令其他物理学家望而生畏的道路。在19世纪末，几乎所有物理学家都认为，牛顿力学经受了几百年的考验，已成为全部物理学甚至是整个自然科学的基础，其正确是不容怀疑的。但是爱因斯坦恰恰就敢于把与旧时空观不相容的两个基本假设（相对性原理和光速不变原理）作为新理论的出发点，这充分表明爱因斯坦在科学探索中不迷信权威、敢于创新的精神。也可以说，爱因斯坦选择的是一条反传统的道路。 1.4狭义相对论的创立 1905年9月，爱因斯坦发表了《论动体的电动 力学》论文，标志着爱因斯坦创立了狭义相对论，使电磁场理论和经典力学得到了统一，开创了物理学的新纪元。 对牛顿力学成立的伽利略变换，在电磁学理论中不成立的原因，爱因斯坦认为是牛顿的绝对时间、绝对空间有问题。而且，爱因斯坦认为解决问题的关键是更改时间和同时性的定义。爱因斯坦明确地确定了时间和同时性的定义[1]。 爱因斯坦指出：“借助于某些（假想的）物理经验，对于静止在不同地方的各只钟，规定了什么叫做它们是同步的，从而显然也就获得了‘同时’和‘时间’的定义。一个事件的‘时间’，就是在这事件发生地点静止的一只钟同该事件同时的一