150 质量、静质量、不变质量、相对论质量、能量、静能量和内
能
主题
四维动量的闵可夫斯基模方（Minkowski norm）在不同参考系中是一个不变量。因此，尤其是粒子物理学家们，把它叫做“不变质量”（invariant mass），或直接叫做“质量”。在别的地方，它又被叫做“静质量”（rest mass），或在以能量为单位的地方被叫做“静能量”（rest energy）。有时，它又被叫做“内能”（internal energy）。另外，在物理学中人们不仅把质量理解为其不变部分，也把它理解为总质量。总质量随速度的变化而变化，因此它又被叫做“相对论质量”（relativistic mass）。当它用能量单位度量时，人们直接把它叫做“能量”。
缺点
有些物理量（确切地说，物理量的名称）会给我们带来麻烦：它们的意义会随着时间的推移而发生变化，或者不同的人对它们有不同的理解。有些物理量的这种情况长期来或一直来存在着。例如，“力”和“热”这两个名称就一直存在这种情况。对于质量来说，它的问题是最近发生的。长期来（大约200年当中）它一直是一个比较好的物理量。质量的麻烦是相对论引起的。这个问题是简单的，但带来的麻烦是大的。
下面我们来它的情况。以下是两个著名的方程：
E2 = E02 + c2p2，
E = mc2.
问题是，我们给m、E和E0这三个量取什么名称。
事实上，自从发现了质量和能量的同一性后，质量和能量这两个名称中有一个是多余的。但是，由于上述原因实际中反而产生了几个新的名称。
历史
这个问题源自相对论。一方面，相对论告诉人们质量和能量是相同的物理量，能量具有与质量相同的性质，即引力质量和惯性质量。
另一方面，这个新理论的特征是，它用四维矢量和洛伦兹不变模方来描述物理世界。洛伦兹不变量给我们带来了方便。它们包含了粒子或过程的本质，包含
了与参考选择无关的性质。由于质量在几个世纪中一直被用来描述粒子的特性，它代表了粒子本体最本质的部分，它独立于参考系，因此人们总是希望这个名称在将来也能发挥现在同样的作用。这样，这个名称尤其被粒子物理学家们用于四维矢量的洛伦兹不变模方（它当初被叫做静质量）。
我们可以看出，下面两个对质量这一名称的要求是有冲突的：
●质量作为度量物体或粒子的惯性的名称（它在一个参考系中可能会很大，在另一个参考系中可能会很小）；
●质量作为描述粒子与参考系无关的性质的名称。
因此，所造成的混乱局面是事先就设置好了的。
把“质量”这个词用于度量惯性的人需要对在质心参考系的质量值取一个新的名称。显然，“静质量”和“静能量”是候选名称。然而，对“静”这个字不要考虑得太严格。它仅仅意味着质心是静止的。除此之外，系统所含的就是非静止的那部分质量了。
把“质量”这个词用来表示洛伦兹不变量的人需要发明测量惯性的新名词。这个新名词叫做“相对论质量”。由于担心有人可能不知道m0所表示的意思，他们就小心地把它叫做“不变质量”。
建议
我们不敢向粒子物理学家们提出建议。然而，我们向中学物理教师建议，把质量作为描述物体惯性和引力（质量）的物理量来引入。这个概念容易被理解。在后来介绍相对论时，学生们会学到质量和能量是同一个物理量；他们会知道，当给物体加热时时，在将弹簧拉长时，在给电容器充电时，它们的引力质量和惯性质量会增大。理所当然地，我们仍象以前一样把这个量叫做“质量”。因此，我们没有必要改变我们关于质量的概念。再说一次，质量度量的是引力（质量）和惯性。
我们可以把E0和m0叫做“静止能量”和“静止质量”，即使除了质心以外没有物体静止。“内能”这个名称也许更合适。
Friedrich Herrmann
（陈敏华，2015年11月16日译于浙江省绍兴市柯桥区碧水金柯）
相对论中的质量与动量 爱因斯坦是第一位明确表述全部物理学的新运动学基础的物理学家，虽然这种新运动学在 Lorentz 的电子论中已经存在了.1905年，通过他对时空间隔概念的批判性考察，这种运动学出现了.基本相互作用统一物理世界图象的方向是爱因斯坦在创立相对论的过程中开辟的.他在解决牛顿力学和电动力学不协调矛盾中没有因循上述的归一思想，他不企图把力学现象和电磁学现象归结为其中任何之一，而是在一个新的时空构架中把两者统一起来.他的狭义相对论实现了在运动学水平上的两者统一. 相对论质量公式的简单推导： 推导的依据：质量守恒(其实质是能量守恒)、动量守恒、洛伦兹速度变换. 设S 系中有两个相同的球A 、B ，其中B 静止，A 以速度v 与B 发生完全非弹性碰 撞. S 系：质量守恒： o m m M += 动量守恒：)1.........()(mv V m m MV o =+= 所以有： )2..(..........V v m m m o =+ S /系：质量守恒： o m m M += 动量守恒：)3.........()(mv V m m MV o -='+= 比较（1）、（3）得： )4(.......... V V -=' / o x /
由洛伦兹速度变换： 22 22211111c v v V c vV V v c Vv v V V V c Vv v V V -=-=---=-='∴--=' 将（2）代入上式：2 2 11c v m m m m m m o o +-=-+ 所以有：221c v m m o -= 证 毕. 爱因斯坦狭义相对论，是建立在所谓的惯性系统中的时空理论.惯性是狭义相对论存在的基 础，因为在惯性系统内，做匀速直线运动的物体的数学物理方程，才满足线性迭加规律.Lorentz 在1904年已经推导出了电子的纵向质量与横向质量的公式[1]，它们分别是： m L = m / (1 – v 2/c 2) 3/2 （1） 以及 m t = m / (1 – v 2/c 2) 1/2 （2） 爱因斯坦在他1905年的论文《论动体的电动力学》中也推导了电子的“纵”质量和“横” 质量（原文中有引号）[2].《论动体的电动力学》的第10节“（缓慢加速的）电子的动力 学”中，Einstein 讨论了这个问题.他从运动方程出发，经过洛伦兹—Einstein 坐标变换， 得出了一组结果：然后保持“质量×加速度=力”的方程形式，通过比较而导出了电子的纵 质量和横质量 式中m o 为物体的静质量.Einstein 所得到的纵质量m L 随速度变化的关系与洛伦兹的结果相同，可是横向质量公式写成： m t = m / (1 – v 2/c 2 ) （3） 公式（3）与Lorentz 的公式（2）不同.爱因斯坦在公式（3）下面有一段文字说明： “采用不同的力与加速度的定义，我们自然会得到其它的质量值.这告诉我们，在比较电子运动的各种理论时，必须十分谨慎地进行.”
基础知识 1．下列说法中正确的是( ) A电和磁在以太这种介质中传播 B相对不同的参考系，光的传播速度不同 C.牛顿定律仅在惯性系中才能成立 D.时间会因相对速度的不同而改变 2．爱因斯坦相对论的提出，是物理学思想的一场重大革命，他( ) A.否定了xx的力学原理 B.提示了时间、空间并非绝对不变的属性 C.认为时间和空间是绝对不变的 D.承认了“以太”是参与电磁波传播的重要介质 3．爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设： (1)爱因斯坦的相对性原理： _______________． (2)光速不变原理： ___________________． 4．下列哪些说法符合狭义相对论的假设( ) A在不同的惯性系中，一切力学规律都是相同的 B．在不同的惯性系中，一切物理规律都是相同的 C.在不同的惯性系中，真空中的光速都是相同的
D．在不同的惯性系中，真空中的光速都是不同的 5．在一惯性系中观测，两个事件同时不同地，则在其他惯性系中观测，它们( ) A．一定同时 B．可能同时 C.不可能同时，但可能同地 D．不可能同时，也不可能同地 6．假设有一列很长的火车沿平直轨道飞快匀速前进，车厢中央有一个光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前后壁，根据狭义相对论原理，下列说法中正确的是( ) A地面上的人认为闪光是同时到达两壁的 B车厢里的人认为闪光是同时到达两壁的 C．地面上的人认为闪光先到达前壁 D．车厢里的人认为闪光先到达前壁 能力测试 7．关于牛顿力学的适用范围，下列说法正确的是( )
A.适用于宏观物体 B.适用于微观物体 C.适用于高速运动的物体 D.适用于低速运动的物体 8．下列说法中正确的是( ) A.相对性原理能简单而自然的解释电磁学的问题 B.在真空中，若物体以速度v背离光源运动，则光相对物体的速度为c-v C在真空中，若光源向着观察者以速度v运动，则光相对于观察者的速度为c+v D．迈xx一xx实验得出的结果是： 不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的 9．地面上的 A、B两个事件同时发生，对于坐在火箭中沿两个事件发生地点连线，从A 到B方向飞行的人来说哪个事件先发生( ) A．两个事件同时发生 B．A事件先发生 C．B事件先发生 D．无法判断 10．关于电磁波，下列说法正确的是( )
H.Yin H.Yin 一、经典力学的时空观 ——牛顿力学的基础 §4.1狭义相对论基本原理洛仑兹变换 H.Yin 惯性参考系之间的时空变换x Z X X Z §4.1狭义相对论基本原理洛仑兹变换H.Yin 换z z u u ?′=?换z z u u ?′=?r r r Δ=Δ+Δ §4.1狭义相对论基本原理洛仑兹变换 H.Yin (二) §4.1狭义相对论基本原理洛仑兹变换H.Yin (三) 绝对时空观遇到挑战 1887年,美国物理学家迈克尔逊和莫雷为证明以太的存在一起设计了测量地球在以太中运动速度的实验 §4.1狭义相对论基本原理洛仑兹变换
H.Yin M 若地球相对以太以v 运动，则以太风从右边吹来。 §4.1狭义相对论基本原理洛仑兹变换H.Yin 1.在实验室v 以太风 21v c c ??? ? ? §4.1狭义相对论基本原理洛仑兹变换 H.Yin 2.在实验室S’系观察v 以太风 v ?22 c v ?u u u =+ §4.1狭义相对论基本原理洛仑兹变换H.Yin 2l 2l 2211c c c c ????????? ?§4.1狭义相对论基本原理洛仑兹变换 H.Yin 如果实验前提正确，应该观察到0.4条的条纹移（2）光在真空中的速度与发射体的运动状态无关 ——光速不变原理 §4.1狭义相对论基本原理洛仑兹变换 H.Yin 讨论 力学规律二、洛仑兹变换-----时空坐标的变换 §4.1狭义相对论基本原理洛仑兹变换
H.Yin 1，时空坐标的测量测量某时某地发生闪电用静止尺子两个条件：满足相对性原理及光速不变原理； 质点速度远小于光速时，退化为伽利略变换H.Yin ''x vt +2 1c ?2 1v c ?§4.1狭义相对论基本原理洛仑兹变换 H.Yin H.Yin 令 1 v 的必然结果 2）时间(t ，t ’)与空间(x ,x ’)、速度(v )相关，非独立§4.1狭义相对论基本原理洛仑兹变换 H.Yin 5）速度有极限 v v c ≤§4.1狭义相对论基本原理洛仑兹变换 H.Yin 甲乙两人所乘飞行器沿o x 轴作相对运动。甲测得221t t x c β′= ?? ??? ?例题4-1 H.Yin 可知, 乙所测得的这两个事件的时间间隔是 2 1c ?例题4-1解
高中物理学习材料 （精心收集**整理制作） 第4节相对论的速度变换定律质量和能量的关系 第5节广义相对论点滴 1．相对论的速度变换公式：以速度u相对于参考系S运动的参考系S′中，一物体沿与u 相同方向以速率v′运动时，在参考系S中，它的速率为________________．2．物体的质量m与其蕴含的能量E之间的关系是：________.由此可见，物体质量________，其蕴含的能量________．质量与能量成________，所以质能方程又可写成________．3．相对论质量：物体以速度v运动时的质量m和它静止时的质量m0之间有如下的关系________________． 4．广义相对论的两个基本原理 (1)广义相对性原理：在任何参考系中物理规律都是____________． (2)等效原理：一个不受引力作用的加速度系统跟一个受引力作用的惯性系统是等效的． 5．广义相对论的几个结论： (1)光在引力场中传播时，将会发生________，而不再是直线传播． (2)引力场使光波发生________． (3)引力场中时间会__________，引力越强，时钟走得越慢． (4)有质量的物质存在加速度时，会向外辐射出____________． 6．在高速运动的火车上，设车对地面的速度为v，车上的人以速度u′沿着火车前进的方向相对火车运动，那么他相对地面的速度u与u′＋v的关系是() A．u＝u′＋v B．u
相对论性质量 我们知道，对质量的不同看法，是相对论力学和经典力学的重大分歧之一。经典力学中，一个物体的质量是恒定不变的，与物体的运动状态无关；相对论力学则认定，一个物体的质量是可变的，与其运动的速度有关，即 式中m为运动质量，简称动质量：m0为“静止质量”，简称静质量。(1)式通常被称为“质速关系式”，是相对论力学的基本公式。 然而，笔者认为，经典的质量观是正确的，相对论的质量观是错误的，理由如下。 (1)相对论性质量违反力学相对性原理。为便于论证，我们假设有一个“静止的”惯性系k和一个相对于k系以速度v运动的惯性系K，系静止的物体，相对于K系便是以速度V 运动的。现在的问题是：把一个相对于k系静止时质量为 m0的物体摆放在k＇，系上，它对于k＇系的质量是否会增加? 令该物体在k＇系上的质量为m，按(1)式显然有m≠m0。这样，惯性系k和惯性系k＇就不是等价的。当我们用同样的力作用于该物体，它在k系和k＇系上就会产生不同的加
速度，从而可以区分这两个惯性系，进而甚至可确定一个惯性系究竟是静止的还是运动的。但是，力学相对性原理告诉我们，力学定律在所有的惯性系都是等价的，因此不可能出现那样的结果。可见，力学相对性原理是人类实践经验的总结，经受了长期的检验，爱因斯坦也是完全赞同的，他还把它推广到电动力学上，作为狭义相对论的两个公设之一。因此，违反力学相对性原理的相对论性质量观，是错误的。 (2)“动质量”和“静质量”是不可区分的。我们知道，物理学中“动”和“静”是相对的，不是绝对的。飞机上的行李，相对于地面而言，它是运动的，但相对于飞机而言，它是静止的。该行李放在地面上时，相对于地面是静止的，但相对于飞行飞机却又是运动的，更不必说，它对于太阳、银河等等总是处在运动中。因此，任何一个质量都既是“静质量”，又是“动质量”，绝对的静止质量和绝对的运动质量都是不存在的。 (3)质速关系式不能解释光子的质量。质速关系式(1)包含有光速c，故它必须适用于光子。但是，(1)式却不能解释光子的质量问题，因为：如果光子具有静质量(≠0)，则在真空中光子的动质量据(1)式便为无穷大；这当然是荒谬的；如果光子的静质量为零，因光在空气、水、玻璃等介质中的速率小于c，故在这些介质中的光子的动质量便为零，于是光子的能量为零。这当然与事实不符。既然质速关系式(1)不能解
互动课堂 疏导引导 1.相对质量 在一定惯性参考系中，质点的质量与质点速率有关.用m 0表示静止时的质量（即静止质量），m 表示以速率v 运动时的质量，则得 2 2 01c v m m -= 这叫做相对论的质量—速率公式.若质点速率远小于光速，则m→m 0质量保持为一常量，又回到经典力学的结论.由上可知，在相对论中不仅同时、时间间隔、空间间隔具有相对性，物体质量也有相对性.当前，由于高能加速器的发展，可以把电子加速至其质量为静止质量的几万倍，更加证实了相对论理论的正确性. 2.质能方程 爱因斯坦质能方程E=mc 2另一种表述形式为ΔE=Δmc 2 它表明物体吸收或放出能量时，必伴随以质量的增加或减少.这里，ΔE 不仅可以表示机械能的改变，也可以代表因物体吸热或放热、吸收或辐射光子等等所引起的能量的变化. 相对论指出，当物体静止时，它本身已蕴藏着一份很大的能量，例如取m 0=1 kg ，其静止能量E 0=9×1016 J ，而我们通常所利用的物体的能量仅仅是mc 2和 m 0c 2之差. 但同学们也不能把质量和能量混为一谈，不能认为质量消灭了，只剩下能量在转化，更不能认为质量和能量可以相互转变.在一切过程中，质量和能量是分别守恒的，只有在微观粒子的裂变和聚变过程中有质量亏损的情况下才会有质能方程的应用. 3.相对论速度变换公式的由来 狭义相对论的两条基本假设光速不变原理和狭义相对性原理使我们看到一幅与传统观念截然不同的物理图景.设想从一点光源发出一光脉冲，如从光源在其中保持静止的参考系中观察，波前为以光源为中心的球面；如从相对于光源做匀速直线运动的另一参考系观察，波前将同样是以光源为中心的球面.从日常经验出发，这种现象似乎难于想象，但它确与迈克尔逊—莫雷的实验结果相符合. 在历史上人们提到的以太，是作为绝对静止的参考系而存在的.既然相对性原理认为一切惯性参考系都是等效的，不存在某一个具有特殊地位的绝对参考系，这等于否定了以太假说，换句话说，企图在某一参考系中进行实验以便求出该参考系相对于以太或绝对参考系的速度，这是不可能的，也是没有意义的. 基于以上论述，我们现需要寻找一组新的时间空间坐标变换关系，该变换关系应当满足两个条件：①满足光速不变原理和狭义相对性原理这两条基本假设；②当质点速率远小于真空中光速时，新的变换关系应能使伽利略变换重新成立.设车对地面的速度为v ，车上的人以速度u′沿着火车前进的方向相对火车运动，那么他相对地面的速度u 为2 1c v u v u u '-+'= ，当v ＜＜c,u′＜＜c 时，u=u′+v′与牛顿力学规律对应. 活学巧用 1.一观察者测出电子质量为2m 0，其中m 0为电子的静止质量，求电子速度为多少？ 思路解析：将m=2m 0代入质量公式2 0)(1c v m m -= 得，2 00)(12c v m m -= c v 2 3 = =0.866c 答案：0.866c 2.已知电子的静能为0.511 MeV ，若电子的动能为0.25 MeV ，则它所增加的质量Δm 与静止质量m e 的比值近似为（ ） A.0.1 B.0.2 C.0.5 D.0.9 思路解析：由题意知E 0=0.511 MeV ,E k =0.25 MeV ，由E 0=m 0c 2,E=mc 2，E k =Δmc 2可得出0 0m m E E k ??= ，代入数据得 .5.00 =E E k 答案：C
第18卷第2期 荆州师专学报(自然科学版)Vo l.18N o.21995年4月Jo urnal of Jingzhou T eacher s Co lleg e(N atur al Science)A pr.1995收稿日期:1994狭义相对论中加速度a 与力f 的关系 阳荣华 程庆华 (荆门市竹园中学) (物理系) 摘要 本文针对关于狭义相对论中加速度a 与力f 的方向关系的一些讨论[1], 采用更为直观、简单的方法,同样得出了加速度a 与力f 的方向关系的普适结果;并通过典型例子较全面地讨论和描述了加速度a 和力f 的方向和大小的相互关系,揭示了在狭义相对论和经典力学中a 与f 相互关系的不同;并讨论了在v /c →0时它们的一致性,从一个侧面说明了经典力学的局限性。 关键词 四维矢量;洛仑兹变换;协变 1 引言 众所周知,在洛仑兹变换下,牛顿力学定律不能保持协变性。由牛顿第二定律f =m a 可以看出,在经典情况下,f 与a 方向一致,a 与f 大小成正比。在狭义相对论中,力f 与加速度a 的方向、大小关系如何呢?本文从狭义相对论基本方程出发,采用直观、简单的方法,较全面地讨论了狭义相对论中f 与a 的关系。 2 相对论的基本方程 静止质量为m 0,相对于参考系速度为u 的质点,其四维速度矢量为[2]: U = u (u ,ic ) (1)其四维加速度矢量为: A =d U d ={ u 2a +1c 2 u 4u(u ?a )},1c i u 4(u ?a )(2)其四维动量为[2]: P =m 0U =m 0 u (u ,ic )=(P ,ic u m 0) (3) 质点所受的四维力为[2]: K = d P d = (dp t ,i c d E d t )= u (f,i c f ?u)(4)狭义相对论的基本方程为[3]: K =dP /d =m 0A (5)将(2)、(4)两式代入(5)式可得: f= u m 0a +1c 2 3u m 0 (u ?a )u (6)其中 u =(1-u 2/c 2)-1/2,a =du /d t 为三维加速度,P =m 0 u u 为三维动量,f 为三维力。
数学仅仅涉及概念间的相互关系，而不考虑它们与经验之间的关系。物理学也涉及到数学概念，但是，只有当清楚地确定了它们与经验对象的关系之后，这些概念才获得物理内涵。这一点在运动、空间、时间概念上表现得尤为明显。 相对论正是建立在对以上这三个概念前后一贯的解释基础之上。“相对论”这个名称是与如下事实相关的，即：从可能的经验观点来看，运动总是表现为一个物体对于另一个物体的相对运动（比如汽车相对于地面的运动，地球相对于太阳和恒星的运动）。运动绝不会作为“相对于空间的运动”——或者，像有人所表述的——“绝对运动”而被加以观察。“相对性原理”在其最广泛的意义上为如下一句论断所蕴含：所有的物理现象都有这样一个特点，它们未给“绝对运动”概念的引进提供任何依据；或较为简洁却不怎么精确的表述：不存在绝对运动。 从这样一个否定的论断中，我们似乎看不到什么洞见。但事实上，它却是对（可以想象的）自然规律的一个严格限制。在这种意义上，相对论与热力学有着某种类似之处。后者也是基于“不存在永动机”这一否定性论断之上。 相对论的发展历经了“狭义相对论”和“广义相对论”两个阶段。后者假定了前者作为一种极限情形的有效性，它是前者的连贯一致的延续。 A.狭义相对论 经典力学中对空间和时间的物理解释 从物理的观点来看，几何学是一些定律的总和，由这些定律能把相互静止的刚体置于彼此相对的位置上（比如，一个三角形由三条端点永远连接的杆组成）。人们设定用这种解释，欧几里得定律是有效的。在这种解释中，“空间”原则上是一个无限的刚体（或框架），其他的物体是与之相关联的（参照系）。解析几何（笛卡尔）用三个相互正交的刚性杆作为参照体表现空间，在这些刚性杆上通过垂直投影这一熟悉的办法（利用刚体的单位尺度），便测得空间点的“坐标”(x,y,z)。 物理学研究空间和时间中的“事件”。每一个事件不仅有自己的空间坐标x，y，z，还有一个时间值t。后者被认为可利用一个其空间大小可以忽略（作理想周期循环）的钟来测得，这个钟C被看作在坐标系中一点，例如在坐标原点(x=y=z=0)处是静止的，在空间点P(x,y,z)上发生的事件的时刻便被规定为与事件同时的钟C所显示的时刻。在这里，假定“同时”的概念无需专门的定义就有物理上的意义。这种精确性的缺乏似乎是无害的，只因光（其速度在我们日常经验看来几乎是无限的）使得空间上分开的事件的同时性看起来能被立即加以确定。 通过利用光信号来从物理上定义同时性，狭义相对论消除了这个精确性的缺乏。在P点发生事件的时间t就是从该事件发出的光信号到达时钟C时从C上读的时间。考虑到光信号通过这一距离所需事件，对这一时刻进行了修正。在做这种修正时，（假定）光速为常数。 这个定义把空间上分开的两个事件的同时性概念归化为在同一地点发生的两个事件（即光信
人教版《高中物理选修3-4》学案《相对论》 第三节 狭义相对论的其他结论 共1课时 课型：三三四 主备人： 闫保松 审核人： 使用时间 2012年 月 日 第 周 第 个 总第 个 第1页 共2页 第2页 共2页 第十五章 第三节：狭义相对论的其他结论 【本章课标转述】 知道狭义相对论的实验基础、基本原理和主要结论；了解经典时空观与相对论时空观的主要区别，体会相对论的建立对人类认识世界的影响。初步了解广义相对论的几个主要观点以及主要观测数据。关注宇宙学研究的新进展。 教学重点、难点 重点：三个公式 难点：运动速度的相对性变换 【学习目标】 （1）运动速度的相对论变换（2）相对论质量（3）质能方程 【学习过程】 一、相对论的速度变换公式 通过狭义相对论两个原理的学习，知道光对任何物体的运动速度都一样，物体运动的极限速度都不可能越过真空中的光速。在宏观低速运动条件下，伽利略的速度叠加原理简单有效。但对高速运动的物体及微观高速粒子，速度的叠加原理与传统经典观念矛盾，必须要考虑相对论效应。 车对地的速度为v ，人对车的速度为u / 地面上的人看到车上人相对地面的速度为u 2' ' 1c v u v u u + += 如果车上人运动方向与火车运动方向相同，u ’取正值 如果车上人运动方向与火车运动方向相反，u ’取负值 学生通过计算和推导知道相对论的自洽性 注意：相对论速度变换公式，是根据相对论理论中的洛伦兹变换推出的结论，只适用于同一直线运动物体速度的叠加。对于更复杂的速度的叠加， 此公式不适用。 二、相对论质量。 物体的运动速度不能无限增加，那么物体的质量是否随着速度而变化？ 严格的论证表明，物体高速（与光速相比）运动时的质量与它静止时的质量之间有下面的关 系：2 01? ? ? ??-= c v m m m 运动质量 > m 0静止质量 微观粒子的速度很高，它的质量明显的大于静止质量．在研究制造回旋加速器时必须考虑相对论效应的影响． 介绍：1988年，中国第一座高能粒子加速器——北京正负电子对撞机首次对撞成功 三、质能方程 引入：物体的能量和质量之间存在密切的联系 让学生知道根据狭义相对论原理及洛伦兹变换，经过高等数学推导，可得到相对论动力学的一个著名结论： 质能方程 2mc E = 质能方程表达了物体的质量和它所具有的能量之间的关系. 0E E E k -= E k 是物体的动能，E 是物体运动时的能量 E 0是物体静止时的能量 在v ＜ ＜ c 时 2 021v m E ≈ 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．
狭义相对论公式及证明 单位符号单位符号 坐标： m (x, y, z) 力： N F(f) 时间： s t(T) 质量:kg m(M) 位移： m r 动量:kg*m/s p(P) 速度： m/s v(u) 能量: J E 加速度： m/s^2 a 冲量：N*s I 长度： m l(L) 动能：J E k 路程： m s(S) 势能：J E p 角速度： rad/s ω力矩：N*m M 角加速度:rad/s^2α功率：W P 一： 牛顿力学（预备知识） (一)：质点运动学基本公式：(1)v=dr/dt, r=r0+∫rdt (2)a=dv/dt, v=v0+∫adt (注：两式中左式为微分形式，右式为积分形式) 当v不变时，(1)表示匀速直线运动。 当a不变时，(2)表示匀变速直线运动。 只要知道质点的运动方程r=r(t)，它的一切运动规律就可知了。 (二)：质点动力学： (1)牛一：不受力的物体做匀速直线运动。 (2)牛二：物体加速度与合外力成正比与质量成反比。 F=ma=mdv/dt=dp/dt (3)牛三：作用力与反作与力等大反向作用在同一直线上。 (4)万有引力：两质点间作用力与质量乘积成正比，与距离平方成反比。 F=GMm/r2,G=6.67259*10-11m3/(kg*s2) 动量定理：I=∫Fdt=p2-p1(合外力的冲量等于动量的变化) 动量守恒：合外力为零时，系统动量保持不变。 动能定理：W=∫Fds=E k2-E k1(合外力的功等于动能的变化) 机械能守恒：只有重力做功时，E k1+E p1=E k2+E p2 (注：牛顿力学的核心是牛二：F=ma,它是运动学与动力学的桥梁，我们的目的是知道物体的运动规律，即求解运动方程r=r(t),若知受力情况，根据牛二可得a,再根据运动学基本公式求之。同样，若知运动方程r=r(t),可根据运动学基本公式求a，再由牛二可知物体的受力情况。) 二： 狭义相对论力学：(注：γ=1/sqr(1-u2/c2),β=u/c, u为惯性系速度。) (一)基本原理：(1)相对性原理：所有惯性系都是等价的。 (2)光速不变原理：真空中的光速是与惯性系无关的常数。 (此处先给出公式再给出证明) (二)洛仑兹坐标变换： X=γ(x-ut) Y=y Z=z
狭义相对论的其他结论 【学习目标】 1.了解运动速度的相对论变换，相对论质量 2.理解质能方程，并能进行简单的计算 【自主学习】 一、相对论的速度变换公式 在第一节内容的学习中，遗留一个问题，那就是经典物理中速度叠加原理与光速不变之间的矛盾，显然经典的速度叠加原理在高速情况下是不适用的，下面我们来认识相对论的速度叠加原理 设车对地的速度为v ，人对车的速度为u / 地面上的人看到车上人相对地面的速度为u （说明：1.如果车上人运动方向与火车运动方向相同，u ’取正值 2.如果车上人运动方向与火车运动方向相反，u ’取负值 3．相对论速度变换公式，是根据相对论理论中的洛伦兹变换推出的结 论，只适用于同一直线运动物体速度的叠加。对于更复杂的速度的叠加， 此公式不 适用。） 例题1如图，高速火车对地速度为v ，车上小球相对于车的速度为u ′， 则地上观察者观察到它的速度为u 。下面请大家计算下列三种情况下地 面观察者看到的球速度，并比较u 与u ′+v 以及u 与c 的大小关系 （1）当u ′=2c v =4 3c 时， u = ______，u ′+v =______，可见u ＜（u ′+v ）并且u ＜c （2）当u ′=c v =c 时， u = ______，u ′+v = ______， （3）当u ′=-c v =2 c 时， u = ______，表示合速度大小仍然为c ，方向与v 相反， 从二、三两个结果可以看出，u ′=c 时，不论v 如何取值，在什么参考系中观察，光速都是c . 二、相对论质量。 物体的运动速度不能无限增加，那么物体的质量是否随着速度而变化？ 严格的论证表明，物体高速（与光速相比）运动时的质量与它静止时的质量之间有下面的关系： 20 1??? ??-=c v m m （ m 运动质量，m 0静止质量），微观粒子的速度很高，它的质量明显的大于静止质量． 例题2回旋加速器给带电粒子加速时，不能把粒子的速度无限制地增大，其原因是( ) A ．加速器功率有限，不能提供足够大的能量 B ．加速器内无法产生磁感强度足够大的磁场 C ．加速器内无法产生电场强度足够大的电场 D ．速度增大使粒子质量增大，粒子运行的周期与交变电压不再同步，无法再加速 三、质能方程 物体的能量和质量之间存在密切的联系根据狭义相对论原理及洛伦兹变换，经过高等数学推导，可得到相对论动力学的一个著名结论：质能方程2m c E = （质能方程表达了物体的质量和它所具有的能量之间的关系.） 设E k 是物体的动能，E 是物体运动时的能量 E 0是物体静止时的能量，则：0E E E k -= 2''1c v u v u u ++=
第五章相对论 第一节狭义相对论的基本原理 基础知识 1．下列说法中正确的是( ) A电和磁在以太这种介质中传播 B相对不同的参考系，光的传播速度不同 C.牛顿定律仅在惯性系中才能成立 D.时间会因相对速度的不同而改变 2．爱因斯坦相对论的提出，是物理学思想的一场重大革命，他( ) A.否定了牛顿的力学原理 B.提示了时间、空间并非绝对不变的属性 C.认为时间和空间是绝对不变的 D.承认了“以太”是参与电磁波传播的重要介质 3．爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设： (1)爱因斯坦的相对性原理：_____________________________． (2)光速不变原理：_____________________________________． 4．下列哪些说法符合狭义相对论的假设( ) A在不同的惯性系中，一切力学规律都是相同的 B．在不同的惯性系中，一切物理规律都是相同的 C.在不同的惯性系中，真空中的光速都是相同的 D．在不同的惯性系中，真空中的光速都是不同的 5．在一惯性系中观测，两个事件同时不同地，则在其他惯性系中观测，它们( ) A．一定同时 B．可能同时 C.不可能同时，但可能同地 D．不可能同时，也不可能同地 6．假设有一列很长的火车沿平直轨道飞快匀速前进，车厢中央有一个光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前后壁，根据狭义相对论原理，下列说法中正确的是( ) A地面上的人认为闪光是同时到达两壁的 B车厢里的人认为闪光是同时到达两壁的 C．地面上的人认为闪光先到达前壁 D．车厢里的人认为闪光先到达前壁 能力测试 7．关于牛顿力学的适用范围，下列说法正确的是( ) A.适用于宏观物体 B.适用于微观物体 C.适用于高速运动的物体 D.适用于低速运动的物体 8．下列说法中正确的是( ) A.相对性原理能简单而自然的解释电磁学的问题 B.在真空中，若物体以速度v背离光源运动，则光相对物体的速度为c-v C在真空中，若光源向着观察者以速度v运动，则光相对于观察者的速度为c+v D．迈克耳逊一莫雷实验得出的结果是：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的 9．地面上的A、B两个事件同时发生，对于坐在火箭中沿两个事件发生地点连线，从A到B方向飞行的人来说哪个事件先发生( ) A．两个事件同时发生 B．A事件先发生 C．B事件先发生 D．无法判断 10．关于电磁波，下列说法正确的是( ) A.电磁波与机械波一样有衍射、干涉现象，所以它们没有本质的区别 B.在一个与光速方向相对运动速度为u的参考系中，电磁波的传播速度为c+u或c-u C电磁场是独立的实体，不依附在任何载体中 D．伽利略相对性原理包括电磁规律和一切其他物理规律 11．一列火车以速度v相对地面运动，如果地面上的人测得，某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁(如图5-1-1)．那么按照火车上人的测量，闪光先到达前壁还是后壁?火车上的人怎样解释自己的测量结果? 12．如图5-1-2所示，在地面上M点，固定一光源，在离光源等距的A、B两点上固定有两个光接收器，今使光源发出一闪光，问 (1)在地面参考系中观察，谁先接收到光信号?
人教版物理高二选修3-4 15.3狭义相对论的其他结论同步练习（I）卷 姓名:________ 班级:________ 成绩:________ 一、多选题 (共15题；共38分) 1. （3分）下列物体的运动服从经典力学规律的是（） A . 自行车、汽车、火车、飞机等交通工具的运动 B . 发射导弹、人造卫星、宇宙飞船的运动 C . 物体运动的速率接近真空中的光速 D . 能量的不连续现象 2. （3分）下列说法中正确的是（） A . 根据牛顿的万有引力定律可以知道，当星球质量不变、半径变为原来的时，引力将变为原来的4倍 B . 按照广义相对论可以知道，当星球质量不变、半径变为原来的时，引力将大于原来的4倍 C . 在天体的实际半径远大于引力半径时，根据爱因斯坦的引力理论和牛顿的引力理论计算出的力差异很大 D . 在天体的实际半径接近引力半径时，根据爱因斯坦的引力理论和牛顿的引力理论计算出的力差异不大 3. （3分） (2018高一下·西山期中) 爱因斯坦相对论的提出是物理学领域的一场重大革命，主要是因为（） A . 否定了经典力学的绝对时空观 B . 揭示了时间、空间并非绝对不变的本质属性 C . 打破了经典力学体系的局限性 D . 使人类对客观世界的认识开始从宏观世界深入到微观世界 4. （2分） (2019高二下·扬州开学考) 如图所示,地面上A、B两处的中点处有一点光源S，甲观察者站在光源旁,乙观察者乘坐速度为v（接近光速）的光火箭沿AB方向飞行.两观察者身边各有一只事先在地面校准了的相同的时钟.下列对相关现象的描述中，正确的是（）
A . 甲测得的AB间的距离大于乙测得的AB间的距离 B . 甲认为飞船中的钟变慢了，乙认为甲身边的钟变快了 C . 甲测得光速为c，乙测得的光速为c-v D . 当光源S发生一次闪光后，甲认为A，B两处同时接收到闪光，乙则认为A先接收到闪光 5. （2分）在一惯性系中观测，有两个事件同时不同地，则在其他惯性系中观察，结果是（） A . 一定同时 B . 可能同时 C . 不可能同时，但可能同地 D . 不可能同时，也不可能同地 6. （3分）下列说法中正确的是（） A . 万有引力可以用狭义相对论做出正确的解释 B . 电磁力可以用狭义相对论做出正确的解释 C . 狭义相对论是惯性参考系之间的理论 D . 万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架 7. （2分） (2015高二上·泰州期末) 关于经典物理学和相对论，下列说法正确的是（） A . 经典物理学和相对论是各自独立的学说，互不相容 B . 相对论完全否定了经典物理学 C . 相对论和经典物理学是两种不同的学说，二者没有联系
关于爱因斯坦狭义相对论中02 1m m v c = ??- ??? 的证明，探讨洛伦兹的纵质量与横质 量与爱因斯坦狭义相对论的联系 作者：王逸源 单位：华北电力大学 摘要：本文通过运用，动量守恒定律，和其相关的一个实验，联系相似性原理，通过数学推导，证明了，狭义相对论的质量关系式。再深入探讨，结合爱因斯坦相对论中，其它关系式，进一步推导出，与相对论相有关的另一个新的质量关系式。 关键词：相似性原理、新的质量关系式、纵质量、横质量 著名的爱因斯坦狭义相对论中，已经通过数学的方法证明了两个公式，一个公式为： 2 1v t t c ?? ?=?- ??? ，另一个公式为：2 1v l l c ?? =- ??? ，而著名的2 1v m m c ??=- ??? 公式，爱因斯坦并没有给出数学证明，下面通过爱因斯坦的狭义相对论，动量守恒定律等来证明。 全日制普通高中教材的第二册物理书中，学生实验部分有验证动量守恒定律的实验。这个实验的实验原理是：1、质量分别为1m 和2m 的两个小球，发生正碰，若碰前1m 运动，2m 静止，根据动量守恒有：**111122m v m v m v =+；2、若能测出1m 、2m 及1v 、*1v 、* 2v 代入上式，则可验证碰撞中动量守恒；3、1m 、2m 用天平测出，1v 、* 1v 、* 2v ，用小球碰撞后运动的水平距离代替，（让各小球在同一高度做平抛运动，其水平速度等于水平位移和运动的比值，而各小球运动时间相同，则它们的水平位移之比等于他们的水平速度之比），则动量守恒时112m op m om m on =+（如下图）。 从这个实验，联系相似性原理，在不受其它任何场的影响下，即真空状态下，一个单独小球，小球静止不动时，测出它的质量为0m （静止质量）；当这个小球在真空状态下，以恒定速度v 运动时，有加速过程，取无限远处（不会受到加速过程中，外部条件干扰的地方），不考虑相对论的情况下，则这个单独小球的动量守恒，即：000=-v m v m ，若这个
狭义相对论的诞生和意义 姓名：王祚恩学号：1120100190 班级：01311002 【摘要】在科学史上，爱因斯坦创立相对论的过程艰辛而充满质疑，然而当我们真正认识和了解到相对论时，我们知道爱因斯坦为什么能够称之为伟大。几十年来的历史发展证明，狭义相对论大大推动了科学进程，成为现代物理学的基本理论之一。 【关键词】爱因斯坦，狭义相对论，意义 一．时代的召唤。 在世界科学史上，爱因斯坦所处的时代是一个呼唤巨人，也创造出了大批巨匠的时代。在伯尔尼专利局工作的岁月，是爱因斯坦在科学研究方面大丰收的几年。在这期间，他解决了布朗运动的问题，创立了光子论和狭义相对论。他的划时代的发现，表明对立统一规律不仅适用于人类社会，而且适用于自然界，是最普遍的规律，彻底改变了人们关于时间、空间、质量、能量等旧有的观念，为辩证唯物主义时空观的基本原理的正确性提供了最有利的科学依据，开始引起了科学界和思想界的普遍重视。 二．狭义相对论建立的历史背景。 一门新理论的诞生有其外在条件，也有其内在因素。就外在条件而言：18世纪欧洲工业革命兴起，经过一个多世纪，到19世纪末，工业生产、科学技术有了长足的进步。电力应用逐渐推广，内燃机、蒸汽机被采用，交通运输不断扩展……，所有这些对物理学的发展都有着直接的影响。生产的发展需要科学；反过来，生产的发展又进一步推动了科学的进步。相对论理论同其他任何一门科学理论一样，是生产水平和科学技术发展到一定阶段的必然产物。 牛顿力学是狭义相对论在低速情况下的近似。经典物理学经过近300年的发展，到19世纪末已经建立起比较完整的理论体系 到19世纪末，以麦克斯韦方程组为核心的经典电磁理论的正确性已被大量实验所证实，但麦克斯韦方程组在经典力学的伽利略变换下不具有协变性。而经典力学中的相对性原理则要求一切物理规律在伽利略变换下都具有协变性。在这样的背景下，才有了狭义相对论。 解开以太之谜，是爱因斯坦在相对论建立的道路上走出的第一步。其实，爱伊斯坦在对以太的长期思索中早就对以太的存在产生了怀疑。也就是在这些不断的怀疑中，爱因斯坦一步步的建立的属于自己的观点——狭义相对论，当然之后也被科学界认可。 三．狭义相对论的建立。 1905年，爱因斯坦在《论运动物体的电动力学》一文中正式提出了他的狭义相对论。他首先提出了两条假设： [1]相对性原理。在伽利略力学相对性原理的基础上，爱因斯坦提出一切惯性系对于描述物理现象来说都是等价的，物理定律对于一切惯性系都应采取相同的数学形式。 [2]光速不变原理。在迈克尔逊-莫雷的基础上，爱因斯坦提出，光在真空中的传播速度是c，与光源的运动状态无关。这就是说，在一切惯性系（都是匀速直线运动）中所测得
狭义相对论的一些介绍 狭义相对论从提出到现在已经一百多年了，人们对这个理论的认识自然也不能一直停在一百多年前。这篇帖子就是想要帮助大家重新整理一下狭义相对论的思路。 一、我们先来复习一下如何算一条线段的长度。 如果我们在平整的地面画一条短线，如何计算线的长度？这个谁都会算，那就是末端的坐标减去始端的坐标，比如用尺子量， 拿到始端和末端的读书，相减得到直线的长度。 这里量一条直线，一维坐标系就可以了。但是如果我们偏偏要找麻烦呢？非要把这条直线斜着量？那也简单的很：
要测量线段长度也不过是测量出「甲」和「乙」的长度，然后勾股定理算出来。也就是(末端横坐标 - 起始端横座标)^2 + (末端纵坐标 - 起始端纵座标)^2 明显是把这条线拆解成横着的和纵的的嘛~ 如果我们再找麻烦，非要在一个三维的坐标系中来计算呢？那也不难，依葫芦画瓢，把线端拆成三部分：横、纵、竖，这样一来，计算方法就是： (末端横坐标 - 起始端横座标)^2 + (末端纵坐标 - 起始端纵座标)^2 + (末端竖坐标 - 起始端竖座标)^2 依次类推，可以放到任意正整数维的坐标系里面来算。 可是，实际上有个问题，我们这样算长度，是有条件的。那，当然这些方法来自于我们的生活经验，我们的生活经验是，时间是用来给不同的事件加标签用的，加了时间标签就可
以知道事情发生的先后顺序了。 二、闵可夫斯基空间 但是 Einstein 的狭义相对论提出了一种很棒的思路，就是为什么我们非要把自己的眼界放在三维空间中呢？我们可以把时间也放进来作为一个坐标分量，而我们不再去算两个地点的空间距离，而是去算发生的两个事件的间隔（既包含了时间部分，又包含了空间部分）。 我们继续前面的思考。 计算两个点的空间距离的方法我们已经掌握了，那么我们如何通过一种方法来把时间因素也加进来呢？ 我们的方法是通过定义一种新的两点距离的计算方法来实现的。我们上面的那种计算两点距离的方法，是在欧几里得空间的距离的计算方法，我们在狭义相对论中定义的新的方法是闵科夫斯基空间的距离计算方法。 比如我们要计算「事件甲」和「事件乙」之间的时空间隔，事件甲发生在「地点甲」，事件乙发生在「地点乙」，那么时空间隔的计算方法是： (地点乙横坐标 - 地点甲横座标)^2 + (地点甲纵坐标 - 地点乙纵座标)^2 + (地点甲竖坐标 - 地点乙竖座标)^2 - (时间乙发生的时间 - 时间甲发生的时间)^2 看啦，只不过是把时间差减掉而已。细心的读者立刻就会提到一个问题： 「咦？你这个计算方法有毛病嘛！！量纲不统一的啊！！！」 没错，你掌握了物理的一大精髓啊，量纲分析是推导完成后首要任务的。不过这里的要改进也忒简单了点，改成这样： (地点乙横坐标 - 地点甲横座标)^2 + (地点甲纵坐标 - 地点乙纵座标)^2 + (地点甲竖坐标 - 地点乙竖座标)^2 - (时间乙发生的时间 - 时间甲发生的时间)^2 * 某个速度^2 好了嘛。其实这就是 1907 年 Minkowski 对 Einstein 的狭义相对论的解释，而这种解释，就是那个年代最杰出的解释。 如果能明白这个距离的定义，狭义相对论最重要的一点您就掌握了。 三、「某个速度」 可是可是，这个「某个速度」是嘛意思啊？这是个什么速度啊？？？ 什么速度捏？我们只好去搜肠刮肚，找遍我们已知的整个物理规律，发现这样一件很奇妙的事情。那就是 Maxwell 方程组，把四个方程化简下，得到电磁波的波动方程。波动方程告诉我们这样一件事情，那就是这个波速跟时间和空间坐标都没关系。什么意思啊？那就是说这个电磁波的波速不管我们是站在路上看，还是骑车看，还是坐火车看，这个波速都是
好吧，我来试一试，尽量用讲故事的语气。 由于光的一些特别的地方，导致了物体在运动速度非常快时很多东西就开始违背常理，发生一些非常奇怪的事情。任何东西在突然变了一个方向，或者速度突然变了后，时间、空间、质量、能量都将变成相对的。这种现象在物体速度越快时越明显。当什么东西以光那么快的速度运动时，那么时间便成为相对的了：对于这个物体，时间要慢一些，而对于其他速度没这么快的东西，时间还是原来那么快。这就意味着，如果你坐在一个速度接近光速的火车上，那么你的1秒钟可能就相当于别人的几秒钟了。这也就是说，如果你在这个火车上待他个几年，下火车时你会发现你比你的同龄人要年轻些，因为别人也许已经过了几十年了，但你才过了几年。许多人会认为宇宙航行时间太长，可能没到目的地人就死了。其实这是片面的。宇宙飞船飞得很快时，飞船上的人活得会比地球上的人久一些。同时，其他的一些东西也会因为速度的改变而变成相对的。比如，因为你乘的火车速度太快了，时间对于你被“拉长”了，因此你完全有理由认为在这段时间里火车走的距离比实际走过的距离要长（因为这段时间比本来应该的时间长，而火车速度始终是那么多），换句话说，速度快了的话，不但时间慢了，而且一个东西的长度也更长了（补充一句，这个变长显然是顺着运动的那个方向变长）。是的，同一把尺子，在飞机上比在地面上要长一些，尽管这个差别几乎无法测出来。但速度快到接近光速时，这个差别就大了，圆甚至都会变成椭圆。 还有，速度变快了后，你的体重会增加，你的能量也会增加，可以说，以前你认为不会因为时间地点改变的东西当速度可以和光速相比时都是相对的了。 相对论还有许多有趣的推论。比如，一切物体的速度都不会超过光速，包括信息的传递。我举个例子：太阳光射到地球需要8分钟。如果有一瞬间太阳爆炸了，地球肯定会改变轨道。但是，地球会在太阳爆炸的那一瞬间改变轨道吗？不，地球会在太阳爆炸8分钟后改变轨道，因为太阳爆炸的“信息”传递速度不能超过光速，至少得8分钟后才会对地球造成影响，而在这8分钟内，地球安然无恙。 哈哈，简单的来讲，相对论就是空间、质量、时间相对于速度变化的理论，主要是讲在速度接近光速时的变化的理论！ 其主要内容为： 1.当物体速度无限接近于光速时，物体会无限延长！ 2.当物体速度无限接近于光速时，物体质量会无限大！ 3.当物体速度无限接近于光速时，对于物体来讲的时间变化会接近于0（也就是说时间无限接近于停止，可以认为是时间会静止！） 在速度变化上来讲，就是只要你速度变快，你的体积就会变大、质量就会增大、寿命就会变长！可惜以我们目前的科学技术水平所能达到的速度会对以上3个方面的影响，几乎可以不计！你比如时间来讲，一架正在飞机上的原子钟和地面上放置的原子钟，在飞机绕地球飞行N圈之后，他们差值可是“0.很多个0后面又带了几个数字”秒！所以对我们现在的日常生活来讲，相对论里面的知识不会影