§1-2 狭义相对论的基本原理

狭义相对论的俩个基本原理
狭义相对论的两个基本原理是：
1. 物理定律的相对性原理：物理定律在不同惯性参考系中具有相同的形式。

这意味着在运动的参考系中，物理定律的表达式仍然有效，无论是匀速直线运动还是静止不动。

相对性原理排除了绝对运动的概念，不论在任何参考系中，物理现象的规律都是一致的。

2. 光速不变原理：光在真空中的速度是一个恒定的常数，与光源的运动状态无关。

无论光源是静止的还是移动的，光速都是同样不变的。

这意味着光在不同参考系中的速度并不相加，而是保持不变。

光速的不变性是狭义相对论的基石，导致了一系列与时空的非直观性质相关的发现，如时间的相对性和空间的相对性。

相对论初步知识相对论是本世纪物理学的最伟大的成就之一，它标志着物理学的重大发展，使一些物理学的基本概念发生了深刻的变革。

狭义相对论提出了新的时空观，建立了高速运动物体的力学规律，揭露了质量和能量的内在联系，构成了近代物理学的两大支柱之一。

§ 1 狭义相对论基本原理 1、伽利略相对性原理1632年，伽利略发表了《关于两种世界体系的对话》一书，作出了如下概述： 相对任何惯性系，力学规律都具有相同的形式，换言之，在描述力学的规律上，一切惯性系都是等价的。

这一原理称为伽利略相对性原理，或经典力学的相对性系原理。

其中“惯性系”是指凡是牛顿运动定律成立的参照系。

2、狭义相对论的基本原理19世纪中叶，麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁理论，又称麦克斯韦电磁场方程组。

麦克斯韦电磁理论不但能够解释当时已知的电磁现象，而且预言了电磁波的存在，确认光是波长较短的电磁波，电磁波在真空中的传播速度为一常数，秒米/100.38⨯=c ，并很快为实验所证实。

从麦氏方程组中解出的光在真空中的传播速度与光源的速度无关。

如果光波也和声波一样，是靠一种媒质（以太）传播的，那么光速相对于绝对静止的以太就应该是不变的。

科学家们为了寻找以太做了大量的实验，其中以美国物理学家迈克耳孙和莫雷实验最为著名。

这个实验不但没能证明以太的存在，相反却宣判了以太的死刑，证明光速相对于地球是各向同性的。

但是这却与经典的运动学理论相矛盾。

爱因斯坦分析了物理学的发展，特别是电磁理论，摆脱了绝对时空观的束缚，科学地提出了两条假设，作为狭义相对论的两条基本原理：（1）狭义相对论的相对性原理在所有的惯性系中，物理定律都具有相同的表达形式。

这条原理是力学相对性原理的推广，它不仅适用于力学定律，乃至适合电磁学，光学等所有物理定律。

狭义相对论的相对性原理表明物理学定律与惯性参照系的选择无关，或者说一切惯性系都是等价的，人们不论在哪个惯性系中做实验，都不能确定该惯性系是静止的，还是在作匀速直线运动。

狭义相对论(Special Relativity) 是爱因斯坦于1905年提出的一种物理理论, 它对时间和空间的描述和传统牛顿引力理论有着显著的不同。

狭义相对论的两个基本原理如下：
1.光速不变原理: 任何一个参考系中，光的速度都是相同的，并且不受物质运动的影响。

这个原理揭示了空间和时间之间的相互关系，即时间和空间是紧密相关的。

2.相对性原理: 物理定律在任何一个参考系中都是相同的，并且不受物质运动的影响。

这
个原理表明物理定律是相对性的，而不是绝对性的。

这两个原理共同构成了狭义相对论的理论框架, 它揭示了物质、能量、时间和空间之间的相互关系, 对物理学和其他科学领域产生了重要的影响。

1相对论的诞生2时间和空间的相对性[学习目标] 1.知道经典的相对性原理，知道狭义相对论的实验基础和它的两个基本假设.2.知道狭义相对论的几个主要结论.3.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．一、经典相对性原理与狭义相对论的两个基本假设[导学探究](1)如图1所示，小球相对于参考系O以速度v向右抛出，人相对于参考系O′静止，当参考系O′相对于参考系O静止、以速度v向右运动和以速度v向左运动时，人观察到小球的速度分别为多大？图1(2)如图2所示，光源相对于参考系O静止，人相对于参考系O′静止，当参考系O′相对于参考系O′静止、以速度v向右运动和以速度v向左运动时，人观察到的光源发出光的传播速度分别为多大？图2答案(1)分别是v0、v0－v、v0＋v(2)人观察到的光速都是c[知识梳理]1．经典的相对性原理(1)惯性系：如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系就叫做惯性系，相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系．(2)相对性原理：力学规律在任何惯性系中都是相同的，这个论述叫做伽利略相对性原理．经典的相对性原理的三种表述：①表述一：力学规律在任何惯性系中都是相同的．②表述二：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动．③表述三：任何惯性参考系都是平权的．2．经典相对性原理解释电磁规律的困难迈克耳孙—莫雷实验证明了光速是不变的，这与传统的速度合成法则是矛盾的．3．狭义相对论的两个基本假设(1)狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的．(2)光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的．[即学即用]判断下列说法的正误．(1)根据伽利略相对性原理，在一个惯性参考系里不能用力学实验判断该参考系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动．(√)(2)根据伽利略相对性原理，同一力学规律在不同的惯性系中可能不同．(×)(3)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.(×)(4)迈克耳孙—莫雷实验得出的结论是：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的．(√)(5)光速不变原理是：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的．(√)(6)根据狭义相对论的两个假设，在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的．(√)二、时间和空间的相对性[导学探究]如图3所示，一列车以速度v经过站台，站台中部的观察者C看到列车车头正好到达站台最右端的A人时，车尾正好到达站台最左端的B人．图3(1)若此时站台上的观察者C看到A、B两人同时面向列车举起手中的小红旗，那么站在列车中点的观察者C′看到A、B两人是同时举旗的吗？如果不是同时举旗，他会看到哪个人先举旗？(2)站台上的观察者C看到列车长度刚好和站台长度相同，列车上的观察者C′认为列车长度和站台长度相同吗？如果不相同，他认为列车长还是站台长？(3)假定列车上的观察者C ′举起小红旗向站台上的A 、B 两人挥动致意，他认为自己从举起小红旗到放下小红旗的时间为t ，站台上的观察者C 观察到他举旗的时间也为t 吗？如果不是t ，他认为这个时间比t 长还是短？答案 (1)不是同时举旗，他看到A 人先举旗 (2)列车长度和站台长度不相同，站台要短一些 (3)不是t ，他认为这个时间比t 长 [知识梳理] 时间和长度的相对性 1．“同时”的相对性在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察时： (1)经典的时空观认为一定(填“一定”或“不一定”)是同时发生的． (2)狭义相对论的时空观认为不一定(填“一定”或“不一定”)是同时发生的． 2．长度的相对性(尺缩效应)(1)经典的时空观：一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同． (2)狭义相对论认为“动尺变短”：狭义相对论中的长度公式：l ＝l 0 1－(vc)2，但垂直于杆的运动方向上，杆的长度不变． 3．时间间隔的相对性(1)经典的时空观：某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔总是相同的． (2)狭义相对论认为“动钟变慢”：时间间隔的相对性公式 Δt ＝Δτ1－(vc)2，也就是说，在相对运动的参考系中观测，事件变化过程的时间间隔变大了，这叫做狭义相对论中的时间膨胀． 4．经典时空观和狭义相对论时空观(1)经典时空观：空间和时间脱离物质而存在，是绝对的，空间和时间没有联系，即与物质的运动状态无关．(2)狭义相对论时空观：有物质才有时间和空间，空间和时间与物质运动状态有关． [即学即用] 判断下列说法的正误．(1)一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，这是经典物理学家的观点．(√) (2)一根杆的长度静止时为l 0，不管杆如何运动，杆的长度均小于l 0.(×) (3)“动钟变慢”是时钟的精度因运动而发生了变化．(×)(4)长度、时间的测量结果会随物体与观察者的相对运动状态的改变而改变．(√) (5)高速运动的飞船中的宇航员发现地面的时钟变慢了．(√)(6)地面上的人认为两个事件同时发生，而高速运动的飞船中的宇航员却不这么认为．(√)一、经典的相对性原理与狭义相对论 应用狭义相对论的几点注意1．惯性系与非惯性系的确定：我们通常选取大地为惯性系，相对于地面静止或做匀速运动的物体都是惯性参考系，相对于地面做变速运动的物体都是非惯性参考系． 2．光的传播速度与惯性系的选取无关．在任何情况下，真空中的光速都是c . 3．力学规律相对于惯性系来说都是相同的．例1 如图4所示，在列车车厢里的光滑水平面上有一个质量为m ＝5 kg 的小球，正随车厢一起以20 m/s 的速度匀速前进．现在给小球一个水平向前的F ＝5 N 的拉力作用，求经10 s 时，车厢里的观察者和地面上的观察者看到小球的速度分别是多少？图4答案 10 m /s 30 m/s解析 对车上的观察者：小球的初速度v 0＝0，加速度a ＝Fm ＝1 m /s 2，经过10 s ，速度v 1＝at ＝10 m/s.对地上的观察者：小球初速度v 0＝20 m/s ，加速度为a ＝Fm ＝1 m /s 2.经过10 s ，速度v 2＝v 0＋at ＝30 m/s.两个观察者的结果虽然不同，但都利用了牛顿运动定律，因此都是惯性参考系.观察的结果不同，是因为选择了不同的参考系.例2 (多选)下面说法正确的是( )A ．在以11 000c 竖直方向升空的火箭上向前发出的光，对地速度一定比c 大B ．在以11 000c 竖直方向升空的火箭上向后发出的光，对地速度一定比c 小C ．在以11 000c 竖直方向升空的火箭上沿水平方向发出的光对地速度为cD ．在以11 000c 竖直方向升空的火箭上向任一方向发出的光对地速度都为c答案 CD解析 根据狭义相对论的基本假设——光速不变原理可知：真空中的光速相对于火箭的速度为c ，相对于地面的速度也为c ，即对不同的惯性参考系光速是相同的，因此C 、D 正确，A 、B 错误．二、时间和空间的相对性应用相对论“效应”解题的一般步骤：(1)应该通过审题确定研究对象及研究对象的运动速度．(2)明确求解的问题，即明确求解静止参考系中的观察结果，还是运动参考系中的观察结果． (3)应用“尺缩效应公式”或“时间延缓效应公式”进行计算．例3 地面上长100 km 的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30 km/s 的速度掠过，则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少？如果火箭的速度达到0.6c ，则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少？答案 100 km 80 km解析 当火箭速度较低时，长度基本不变，还是100 km.当火箭的速度达到0.6c 时，由相对论长度公式l ＝l 01－(vc)2代入相应的数据解得：l ＝100×1－0.62 km ＝80 km.例4 π＋介子是一种不稳定粒子，平均寿命是2.6×10－8 s(在它自己的参考系中测得) (1)如果此粒子相对于实验室以0.8c 的速度运动，那么在实验室坐标系中测量的π＋介子寿命多长？(2) 在(1)中实验室坐标系里测量的π＋介子在衰变前运动了多长距离？ 答案 (1)4.3×10－8 s (2)10.32 m解析 (1)π＋介子在实验室中的寿命为 Δt ＝Δτ1－(v c)2＝2.6×10－81－0.82s ≈4.3×10－8 s.(2)该粒子在衰变前运动的距离为x ＝v Δt ＝0.8×3×108×4.3×10－8 m ＝10.32 m.1．(多选)关于狭义相对论的两个假设，下列说法正确的是( ) A ．在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的 B ．在不同的惯性参考系中，力学规律都一样，电磁规律不一样 C ．真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的 D ．真空中的光速在不同的惯性参考系中是有差别的 答案 AC2.如图5所示，强强乘坐速度为0.9c (c 为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c ，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为( )图5A ．0.4cB ．0.5cC ．0.9cD ．c 答案 D解析 由狭义相对论的基本假设——光速不变原理可知，真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，可知D 正确．3．假设甲在接近光速的火车上看地面上乙的手中沿火车前进方向放置的尺，同时地面上的乙看甲的手中沿火车前进方向放置的相同的尺，则下列说法正确的是( ) A ．甲看到乙的手中的尺长度比乙看到自己手中的尺长度长 B ．甲看到乙的手中的尺长度比乙看到自己手中的尺长度短 C ．乙看到甲的手中的尺长度比甲看到自己手中的尺长度长 D ．乙看到甲的手中的尺长度与甲看到自己手中的尺长度相同 答案 B 解析 由l ＝l 01－(vc)2可知，运动的观察者观察静止的尺和静止的观察者观察运动的尺时，都发现对方手中的尺比自己手中的尺短，故B 正确，A 、C 、D 错误． 4．(多选)用相对论的观点判断下列说法，其中正确的是( )A ．时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变B ．在地面上看，以10 km/s 的速度运动的飞船中的时钟会变快，但是飞船中的宇航员却看到时钟是准确的C ．在地面上的人看来，以10 km/s 的速度运动的飞船在运动方向上会变短，而飞船中的宇航员却感觉到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些D ．当物体运动的速度v 远小于c 时，“长度收缩”和“时间膨胀”效果可忽略不计 答案 CD解析 时间和空间都是相对的，没有绝对准确的时间和空间，所以A 错误．由l ＝l 01－(vc)2可知两处的人都感觉l ＜l 0，所以C 正确．由尺缩效应和钟慢效应公式可知，当v 远小于c 时，尺缩效应和钟慢效应都可以忽略不计，所以B 错误，D 正确．一、选择题1．(多选)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 答案 AD解析 由经典力学的局限性可知A 、D 正确． 2．关于相对论的认识，下列说法正确的是( )A ．因为时间是绝对的，所以我们在不同的参考系中观察到的时间进程都是相同的B ．空间与时间之间是没有联系的C ．在一个确定的参考系中观察，运动物体的空间距离和时间进程跟物体的运动状态有关D ．惯性系就是静止不动的参考系E ．同一力学规律在不同的惯性系中可能不同 答案 C3．如图1所示，世界上有各式各样的钟：砂钟、电子钟、机械钟、光钟和生物钟．既然运动可以使某一种钟变慢，它一定会使所有的钟都一样变慢．这种说法是( )图1A ．对的，对各种钟的影响必须相同B ．不对，不一定对所有的钟的影响都一样C ．A 和B 分别说明了两种情况下的影响D ．以上说法全错 答案 A4．下列说法中正确的是( )A ．相对性原理能简单而自然地解释电磁学的问题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 －vC ．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 ＋vD ．迈克耳孙—莫雷实验得出的结论是：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的 答案 D解析 相对性原理简单而自然，但在电磁学的领域里，涉及相对哪个参考系才成立的问题，故选项A 错误；根据狭义相对论的光速不变原理知，选项B 、C 错误，D 正确．5.如图2所示，在一个高速转动的巨大转盘上放着A 、B 、C 三个时钟，下列说法正确的是( )图2A ．A 时钟走时最慢，B 时钟走时最快 B ．A 时钟走时最慢，C 时钟走时最快 C ．C 时钟走时最慢，A 时钟走时最快D ．B 时钟走时最慢，A 时钟走时最快 答案 C解析 A 、B 、C 三个时钟中，C 相对于地面的速度最大，A 相对于地面的速度最小；由Δt ＝Δτ1－(v c)2可知，C 时钟走时最慢，A 时钟走时最快，故选项C 正确．6．如图3所示，沿平直铁路线上有间距相等的三座铁塔A 、B 和C .假想有一列车沿AC 方向以接近光速的速度行驶，当铁塔B 发出一个闪光，列车上的观察者测得A 、C 两铁塔被照亮的顺序是( )图3A ．同时被照亮B ．A 先被照亮C ．C 先被照亮D ．无法判断答案 C解析 以列车为参考系，塔A 、B 、C 向左高速运动，列车中的观测者认为光从B 到A 的距离大于光从B 到C 的距离，由t ＝lc知，光从B 到C 用时短，C 先被照亮．7．惯性系S 中有一边长为l 的正方形(如图4所示)，从相对S 系沿x 方向以接近光速的速度匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图象是( )图4答案 C解析 由相对论长度公式l ＝l 0 1－(vc)2得，运动方向上的边长变短，垂直运动方向上的边长不变．8．某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行，如果希望把这段路程缩短为3光年，则他所乘飞船相对地球的速度为( ) A ．0.5c B ．0.6c C ．0.8c D ．0.9c答案 C解析 由l ＝l 0 1－(v c )2，且l l 0＝35可得：v ＝0.8c ，故C 正确．二、非选择题9．一长杆在车厢中静止，杆与车厢前进的方向平行．在车厢中测得杆长为1.0 m ，车厢以41.7 m /s 的速率行驶(相当于150 km/h)．求在地面测得的杆长． 答案 见解析 解析 l ＝l 0 1－(vc)2＝1－(41.73×108)2 m ≈1－1.93×10－14m. 10．一个摆钟在静止参考系中的摆动周期是3.0 s ，当一个观测者相对该摆钟以0.99c 的速度运动时，观测者测得的周期是多少？摆钟是变快了还是变慢了？ 答案 21.3 s 变慢了解析 由时间延缓效应公式：Δt ＝Δτ1－(v c )2，又已知Δτ＝T ＝3.0 s ， 所以可得：T ′＝T 1－(v c)2＝3.01－(0.991)2 s ≈21.3 s ， 由T ′＞T ，可看出摆钟变慢了．11．长度测量与被测物体相对于观察者的运动情况有关，物体在运动方向上长度会缩短．一艘宇宙飞船的船身长度为L 0＝90 m ，相对地面以v ＝0.8c 的速度从一观测站的上空飞过． (1)观测站测得飞船的船身通过观测站的时间间隔是多少？ (2)宇航员测得船身通过观测站的时间间隔是多少？ 答案 (1)2.25×10－7 s (2)3.75×10－7 s解析 (1)观测站测得船身的长度为L ＝L 0 1－(v c)2＝901－0.82 m ＝54 m ，通过观测站的时间间隔为Δt ＝L v ＝54 m0.8c＝2.25×10－7 s.(2)宇航员测得飞船船身通过观测站的时间间隔为 Δt ′＝L 0v ＝90 m 0.8c＝3.75×10－7 s.。

狭义相对论----爱因斯坦本文作者：周奇第一章：两个基本假设相对性原理：物理规律在所有的惯性系中都是平权的。

光速不变原理：光速在任何参考系中都是定值。

即81=⨯⋅310c m s-第二章：洛仑兹变换假设在t = t′ = 0时刻两个参考系的原点重合，在这个时刻，位于原点O 或O′ 的一个光源发出一个光信号。

根据光速不变原理，在两个参考系中，这个光信号将以相同的速度c 到达P 点，但所用的时间间隔不同，分别为t 和 t′。

于是P 点的坐标方程为()2222x y z ct ++= 和 ()2222x y z c t ++= 或()()22222222x y z ct x y z ct ''''++-=++-·······················1 因为只在X 轴方向有相对运动，应当有y = y′ 和z = z′，这样，方程1变为()()2222x ct x ct ''-=- (2)方程2的线性解就是一维洛伦兹变换：2x y y z zvx t t ⎧'=⎪⎪⎪⎪'=⎪'⎨=⎪'⎪'-⎪'=⎪⎪⎩ (3)2x y y z z vx t t ''⎧=⎪⎪⎪⎪'=⎪'⎨=⎪'⎪'+⎪=⎪⎪⎩ (4)在k 系中有l ct =··························1 在k '系中有s ct '=························2 d v t '=························3 有几何关系可知222s d l =+················4 将123式代入4式()()()222ct vt ct ''=+ ()()22221v ct ct c ⎛⎫'-= ⎪⎝⎭22221v t t c ⎛⎫'-= ⎪⎝⎭t '= (5)5式即为钟慢效应公式一维洛伦兹变换可以给出速度变换公式。

狭义相对论和广义相对论的基本原理狭义相对论和广义相对论是现代物理学的基本理论之一，它们解释了时间、空间、质量和能量之间的关系。

以下是对这两种相对论的基本原理的讲解。

一、狭义相对论的基本原理狭义相对论是爱因斯坦在1905年提出的理论，它提出了一个与牛顿力学不同的观点，即光速在所有惯性参考系中都是常数。

这一原则被称为“光速不变原理”，它是狭义相对论的核心。

基于“光速不变原理”，狭义相对论提出了以下原则：1. 所有物理定律在所有惯性参考系中都是相同的。

2. 物体的质量随着速度的增加而增加，速度越快，增加的质量越大。

3. 时间和空间是相对的，没有绝对的标准。

4. 能量和质量是等价的，它们之间可以相互转化。

这些原则反映了狭义相对论的基本特征，它推翻了牛顿力学中的一些假设，如时间和空间的绝对性、万有引力的绝对性等。

狭义相对论为我们提供了更加准确和完整的描述物理规律的框架，同时也为后来的广义相对论的发展提供了基础。

二、广义相对论的基本原理广义相对论是爱因斯坦在1916年提出的理论，它是在狭义相对论的基础上进一步发展而来的。

广义相对论初衷是想解释引力的本质，它基于“等效原理”提出了新的物理规律。

广义相对论的基本原理包括：1. 等效原理：自由下落的物体在惯性参考系中运动是匀速直线运动。

2. 引力不是一种真正的力，而是由物体所在空间弯曲而产生的一种现象。

3. 时间和空间的弯曲程度受到物质分布的影响。

4. 光线会沿着最短路径传播。

这些原理反映了广义相对论的基本特征，它描述了物质的引力性质和空间的几何形态之间的关系。

广义相对论证明了狭义相对论中的“光速不变原理”是任何物质和能量影响的最高速度，同时也为黑洞、宇宙学等领域的研究提供了新的工具和思路。

狭义相对论和广义相对论是现代物理学中最基本的理论之一，它们提供了理解时空的新视角和解释物理规律的新方法。

【狭义相对论】狭义相对论建立在“光速不变原理”之上，它意味着在不同的参考系中，光的速度是恒定不变的。