大学物理课件—狭义相对论(免费版)

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大学物理课件—狭义相对论(免费版)

狭义相对论基础
实验学院数理教研室
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1922年获得诺贝尔物理学奖, 他还在量子理论方面具有很多的重要的贡献 .
-
第四章
狭义相对论基础
实验学院数理教研室
例2 静止时边长为50cm的立方体,沿着某棱边方向相对于地面运动,v=2.4108 ms-1,则在地面上测得其体积是 . 解：
v
在运动方向上，边长：
l l0 1
2
2
在与此垂直的方向上，边长不变! 体积：
V l l l
2 0
3 0
二 . 伽利略变换当
t t' 0
时
s y
y
ut
o
s'
y'
u
*
o与
o'重合
y'
P ( x, y , z ) ( x' , y ' , z ' )
位置坐标变换公式
z' z
t' t
x' x ut y' y
x'
x
z z
o' z' z'
x' x
v ' v u a' a
z
y
y'
u
l0 x '2 x '1 l '
o
x '1
o' x1
l0

狭义相对论讲义课件

光速不变原理在现代物理学中有着广泛的应用，如量子力学、广义相对论等。同时，它也是现代通信技术、激光技术等领域的基础之一。
04
狭义相对论的时空观
同时性的相对性
01
同时性的相对性是狭义相对论中的一个基本概念，指的是观察者在不同参考系中观察到的事件发生顺序可能会不同。
02
在相对论中，两个事件在不同的参考系中同时发生，并不意味着它们在所有参考系中都是同时发生的。
狭义相对论的基本原理
相对性原理
物理规律在所有惯性参考系中形式都保持不变。
光速不变原理
光在真空中的速度在所有惯性参考系中都是相同的，约为每秒 299,792,458米。
02
洛伦兹变换
洛伦兹变换的定义
洛伦兹变换是用来描述不同惯性参考系之间坐标和时间的变换。
在狭义相对论中，所有惯性参考系都是等价的，因此可以通过洛伦兹变换将一个惯性参考系中的事件变换到另一个惯性参考系中。
3
通过洛伦兹变换，我们可以更好地理解狭义相对论中的基本原理和概念，从而更深入地了解这个理论。
03
光速不变原理
光速不变原理的表述
光速不变原理是狭义相对论的基本假设之一，它指出在任何惯性参考系中，真空中光的传播速度都是恒定不变的，约为每秒299,792,458米。
光速不变原理可以表述为：无论观察者的运动状态如何，光的速度在真空中总是相同的。
狭义相对论的质量和能量质量与能量的关系
质量和能量是等价的：在狭义相对论中，质量和能量被视为同一事物的两个方面，它们之间可以相互转换。
核能释放：核反应过程中，原子核中的质量会转化为能量释放出来。
质能方程E=mc²：该方程表达了质量和能量之间的关系，其中E代表能量，m代表质量，c代表光速。

大学物理第6章狭义相对论ppt课件

既然同时性是相对的，那么早与晚的时间顺序
是否也是相对的呢？即一个参考系早发生的事件，
在另一个参考系看来会晚发生呢？
是可能的。但具有因果关系的事件的时序是不
会颠倒的。
小结
时空与物质的运动是相互联系的; 空间距离、时间间隔、同时性也是相对的，它们随物体与观察者的相对运动状态而改变。这就是狭义相对论的时空观。
x 2,y 2,u0.5c S
2
2
y
S(棒): 棒只在运动方向变长。
x x , y y
1 u2 / c2
o
固有长度:
lo (x)2(y)2=1.08m z
S y u
y
45°
x
o
x
x
z
补充例：π介子静止寿命为2.5×10-8s，实验时测得其速率为0.99c，在衰变前可运行距离52m 问：实验结果与理论分析是否一致
K ：t(tuc2x)0, 解得: u=0.6c
xx1u2/c24106m
或 x( xu t)4106m
例题6.4.3 S系：两事件发生在同一地点，且第二事件比第一事件晚发生t=2s；而S：观测到第二事件比第一事件晚发生t =3s。在S系中测得发生这两事件的地点之间的距离x是多少？
解：能否用长度收缩公式？不行。
或者说：运动的时钟走得慢些(钟慢)。时间膨胀(钟慢)是相对性效应，与钟表的具体运转无关。
3.同时的相对性
设A、B两事件同时发生在S系的不同地点, 即
S : xx2 x1 0,tt2 t1 0
S:
tt2t1(tuc 2x)
ux c2 0
可见，在S系看来同时发生的事件，在S系看来
就不是同时发生的。所以同时性是相对的。

大学物理相对论ppt课件

比 B早接收到光
事件1、事件2 不同时发生
事件1先发生 t 0
6-3 狭义相对论的时空观——爱因斯坦火车
用洛仑兹变换式导出
t2
t2
u c2
x2
1 u2 c2
t1
t1
u c2
x1
1 u2 c2
t
t2
t1
t
u c2
1 u2
x
c2
若x 0 已知 t 0
t
u c2
x
0
同时性的相对性
在一个惯性系的不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系是不同时的。
2、纵向效应
l l0 1 u2 c2
在两参考系内测量的纵向（与运动方向垂直）
的长度是一样的。
3、在低速下伽利略变换
l l0 1 u2 c2
u c l l0
6-3 狭义相对论的时空观
例2、原长为10m的飞船以u＝3×103m/s的速率相对于地
面匀速飞行时，从地面上测量，它的长度是多少？
t
t
u c2
x
1 u2 c2
c
5.77 109 s
u c 1 ( x )2 x
6-3 狭义相对论的时空观
二.长度的相对性
运动的棒变短
长度测量的定义
对物体两端坐标的同时测量，两端坐标之差就是物体长度。
S S
u
l0
原长棒相对观察者静止时测得的它的长度
（也称静长或固有长度）。
棒静止在S'系中 l0是静长
u
隧
a火车b
A
道
B
在地面参照系S中测量，火车长度要缩短。但隧道的B端与火车b端相遇这一事件与隧道A端发生闪电的事件不是同时的，而是B端先与b端相遇，而后A处发生闪电，当A端发生闪电时，火车的a端已进入隧道内，所以闪电仍不能击中a端。

《狭义相对论》PPT课件

第
十三
狭义
讲
相对论
运动是相对的，在研究运动相对性问题时，认识到了参考系的概念。
本章研究的问题:
在两个惯性系中考察同一物理事件
通常：实验室参考系定为S系运动参考系定为S’系
1.伽利略相对性原理
从“三大守恒定律”到“牛顿运动定律”，完成了“经典力学”的构建。几乎可以用来解释所有宏观、低速运动现象。正如欧几里德几何建立在几条基本假设的基础上， “经典力学的大厦”建立在“伽利略时空观”的假设上。
o
v
vt
P
o' x '
x xx
之t坐时标后刻的质点研在究两参都照是系限下的于应z用这些z ' 基本规
律S解系决具zxy 体zxy问'''v题t 。
S '系
x' x vt y' y z' z
t t'
t't
r＝r vt dr ＝dr v dt dt
u u'v a du dt a' du' dt
界体
伽利略相对性原理
系
的对
力学规律对所有惯性系平权——
话
》力学规律在所有惯性系中有同样的表达形式。
伽经利典略力坐学标规变律换：
S S'
建一个立参在照系伽静利止-略---时--空S 观系，上y 的动y力' 学量的
守另v 运一恒动个条-参--照件-系--的沿S’规o系x范，轴。以实t 施0 方时两法坐：标重合牛x 顿x'运 0动定律
迈克尔孙-莫雷实验的“零”结果
基本假设：光是波动；光在“以太”中以速度c传播；“以太”

第3章狭义相对论_PPT课件

相对性原理
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（例如“绝对静止”的）惯性系。
伽利略坐标变换
tt'0
o 与 o' 重合
位置坐标变换公式
s y s' y'
y y ' u
ut
x'
o
z z1
o'
z' z'
x
*
P(x, y, z,t) (x', y', z',t)
x' x
x'xut
y' y
1
自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，上帝说：“让牛顿去吧，”于是一切都成为光明。
后人续写道: 上帝说完多少年之后，魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，” 于是一切又回到黑暗中。
牛顿: Newton
爱因斯坦: Einstein
绝对时空观伽利略变换 1
现代时空观洛伦兹变换
经典力学的相对性原理
(对于不同的惯性系，对于运动的描述是相对的，但是力学的基本定律---牛顿定律，其形式都是一样的。）
爱因斯坦相对性原理、光速不变
一、狭义相对论的两条基本原理
1.相对性原理
1
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（例如“绝对静止”的）惯性系。 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。
洛伦兹坐标变换
tt'0
o 与 o' 重合
x' xut (xut) 12
a
a
du
dt
若u＝常矢量
S 系中：
Fma
FFm mS 系中：S系中1： F m a

大学物理上册课件：第6章狭义相对论

在S '系中：
x
由相对性原理和光速
O
O
x
不变原理得：
z
z
x
x ut
1 2
x
x＋ut
1 2
y y
z
z
洛仑兹变换
t
t
ux
/
c2
u c
1 2
y y
z
z
洛仑兹逆变换
t
t ux / c 2
1 2
例题6-1 在地面参考系S中的x =1.0×106m处，在t = 0.02s时刻爆炸了一颗炸弹。若有一沿轴正向以u = 0.75c的速率飞行的飞船，试求在飞船参考系S′中的观察者测得这颗炸弹爆炸的地点和时间。
6.2 狭义相对论的时空观
一、同时的相对性
事件1
事件2
S ( x1、y1、z1、t1 )
S ( x1、y1、z1、t1 )
( x2、y2、z2、t2 )
( x2、y2、z2、t2 )
S 相对 S 系以速度 u 沿x 轴正向运动，由洛仑兹变换得：
Δx Δx uΔt
1 2
Δt Δt uΔx / c2
1 2
Δx Δx uΔt
1 2
Δt uΔx / c 2 Δt
2
1、不同地事件的同时性是相对的。
Δx Δx uΔt
1 2
Δt Δt uΔx / c2
1 2
Δx uΔt Δx
1 2
Δt uΔx / c2 Δt
1 2
即x 0, t 0时，t ux / c2
当t
ux c2
0时，事件1后于事件2发生。
如果事件的先后次序是相对的，那么会不会在某个参

第一章狭义相对论基础精品PPT课件

电磁波(光)传播的媒质是以太,以太静止在绝对空间.
§2 迈克耳孙—莫雷实验
一.问题的提出
光相对以太的传播速度为c, 若有其它惯性系相对绝对空
•是否有一个与绝对空间相对间运动,则相对此惯性系的
静止的参考系？
速度将不是c.
•如果有,如何判断它的存在?
•显然力学原理不能找出这个特殊的惯性系,那么电磁学现象呢?
y y S S
两者重合.
说,都遵从同样的规律;或者
y y
说,在研究力学规律时,一切惯性系都是等价的.——力学相对性原理.
二.伽利略变换式
v
vt
O O
•P
x
x
z z
x x
力学相对性原理的数学表述. z z
考虑两个惯性参考系S(Oxyz)
S相对S系以v沿x轴运动和S(Oxyz), 它们的对应坐
点P在两坐标系中的关系为: 标轴相互平行, 且S系相对
换言之,绝对静止的参考系是不存在的.
§3.狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式
x x vt
y y
z
z
或
t t
x x vt
y y
z
z
t t
——伽利略速度变换.
其矢量形式为: u= u + v
上式再对时间求导:
a a
x y
a a
x y
a z a z
其矢量形式为:
a = a
物体的加速度对伽利略变换是不变的.
即牛顿定律对S系和S 系有相同的形式.
x x vt
y
y
z z
S系以速度沿Ox轴的正方向运动.开始时,两惯性系重合.
伽利略位置坐标变换 t=0时，

大学物理第四章狭义相对论基础描述PPT课件

20
②当 u时c，
略变换：
x x ut
y y
z z
t t
1
u c
2 2
洛 1仑兹变换可以简化为伽利
x x ut y y z z t t
即伽利略变换是洛仑兹变换在低速时的近似。
可见洛仑兹变换有更为普遍的意义。
性系都是等价的。
--伽利略相对性原理
2.力学规律在所有惯性系中相同数学表达形式。
3.时间和空间都是绝对的，无关联的。
4
二、伽利略变换在参考系中发生的一个物理事件要用四个坐标
（x、y、z、t）来描述。
设S系和S'系都是惯性参照系，且：
S'系相对于S系沿x轴以速度u 运动，
开始时t=t' =0坐标原点O和O'重合。
二、爱因斯坦假设 1.1905年爱因斯坦在他的论文中，大胆地提出两条假设，这就是狭义相对论的基本原理。 2.两条基本假设：（1）相对性原理
在所有惯性系里，一切物理定律都相同。即：具有相同的数学表达式。
所有惯性系都是等价的。
这是牛顿相对性原理的推广。即在所有惯性系里，不但力学定律成立，而且电磁定律、光的定律、原子物理定律和其它物理定律都同样成立。 13
揭示了时间、空间与引力的关系。
相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念，给出了科学而系统的时空观和物质观，从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系。
3
4-1 力学相对性原理伽利略变换
一、力学相对性原理
1.表述：描述力学现象的规律不随观察者所选的
惯性系而改变，或者说，研究力学规律时一切惯
x
1 2
1 2
18
①两坐标间的变换关系：

《狭义相对论》课件

原子能级移动
总结词
狭义相对论预测了原子能级的移动，即原子能级的位置会因为观察者的参考系而有所不同。
详细描述
根据狭义相对论，原子能级的位置会因为观察者的参考系而有所不同。这是因为狭义相对论引入了新的物理概念，如时间和空间的相对性，这导致了原子能级位置的变化。这种现象被称为原子能级移动。
06
狭义相对论的背景和历史
狭义相对论的产生背景是19世纪末物理学界出现的一系列实验结果，这些结果无法用经典物理学解释，如迈克尔逊-莫雷实验和洛伦兹收缩实验。
狭义相对论的提出者爱因斯坦在1905 年提出了特殊相对论，这是狭义相对论的早期形式。在特殊相对论中，爱因斯坦解释了时间和空间并不是绝对的，而是相对的，并且提出了著名的质能等价公式E=mc^2。
狭义相对论不仅在物理学领域产生了深远影响，还对哲学、数学等相关学科产生了影响，促进了跨学科的交流与融合。
THANKS
感谢观看
这与经典物理学中的绝对时空观念相矛盾，因为在经典物理学中，时间和空间是绝对的，物理定律在不同的参照系中会有所不同。
光速是恒定的，与观察者的参考系无关
这一假设表明光在真空中的速度对于所有观察者都是一样的，无论观察者的运动状态如何。这是狭义相对论中最基本、最重要的假设之一。
这个假设与经典物理学中的光速可变观念相矛盾，因为在经典物理学中，光速会随着观察者的参考系而有所不同。
03
时间膨胀和长度收缩
时间膨胀
总结词
时间膨胀是狭义相对论中的一个重要概念，指在高速运动的参考系中，时间相对于静止参考系会变慢。
详细描述
根据狭义相对论，当物体以接近光速运动时，其内部的时间会相对于静止参考系减慢，这种现象被称为时间膨胀。这是由于在高速运动状态下，物体的时间进程受到相对论效应的影响。

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实验学院数理教研室
事件 1 ：车厢后壁接收器接收到光信号. 事件 2 ：车厢前壁接收器接收到光信号.
第四章
狭义相对论基础
实验学院数理教研室
二 . 时间延缓发射、接收为同一地点发生 S' 系观察： A y' 的两个事件 d
x'
时间间隔 t ' t '2 t '1 2d
c
y
y'
A
y'
S 系观察 y'
狭义相对论基础
实验学院数理教研室
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1922年获得诺贝尔物理学奖, 他还在量子理论方面具有很多的重要的贡献 .
爱因斯坦的哲学观念：自然界应当是和谐而简单的.
理论特色：出于简单而归于深奥.
第四章
狭义相对论基础
实验学院数理教研室
二 . 爱因斯坦的相对性原理和光速不变原理
1）相对性原理：物理定律在所有的惯性系中都具有相同的表达形式 . 相对性原理是自然界的普遍规律. 所有的惯性参考系都是等价的 . 2）光速不变原理：真空中的光速是常量，它与光源或观察者的运动无关，即不依赖于惯性系的选择.
( x2 , y2 , z2 , t2 )
t ' t '2 t '1 0
( x '2 , y '2 , z '2 , t '2 )
2
同时不同地
x ' x '2 x '1 0
u t ' x ' c t 1
2
u x' c 0 1
2 2
第四章
狭义相对论基础
二 . 伽利略变换当
t t' 0
时
s y
y
ut
o
s'
y'
u
*
o与
o'重合
y'
P ( x, y , z ) ( x' , y ' , z ' )
位置坐标变换公式
z' z
t' t
x' x ut y' y
x'
x
z z
o' z' z'
x' x
v ' v u a' a
第四章
狭义相对论基础
实验学院数理教研室
900 多年前（公元1054年5月）一次著名的超新星爆发，这次爆发的残骸形成了著名的金牛星座的蟹状星云。北宋天文学家记载从公元 1054年 ~ 1056年均能用肉眼观察, 特别是开始的 23 天, 白天也能看见 . 当一颗恒星在发生超新星爆发时, 它的外围物质向四面八方飞散, 即有些抛射物向着地球运动, 现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问 . 物质飞散速度 v 1500km/s
2
逆变换
x ( x'ut ' ) y y'
z z'
u t (t ' x' ) c
2
洛伦兹变换特点 1）
x ' , t ' 与 x, t
成线性关系，但比例系数
1.
2）时间不独立， t 和
x
变换相互交叉.
伽利略变换。
3） u c 时，洛伦兹变换
第四章
狭义相对论基础
x2
x
l x2 x1
x2 x1 1 2
测量为两个事件
( x1 , t1 ), ( x2 , t 2 ) 要求 t1 t2
x ut x' 1 β
2 2 2 2
x ut x' 1
1 1
1 2
x'2 x'1
第四章
狭义相对论基础
实验学院数理教研室
s s'
x 'x
A M B
事件1：光到A
x ' x
事件2：光到B
第四章
狭义相对论基础
实验学院数理教研室
同时的相对性：
在一个参照系中同时不同地发生的两个事件，在其它参照系中观察不再同时发生，沿运动方向靠后的事件先发生。在一个参照系中同时同地发生的两个事件，在其它参照系中也同时发生。
第四章
狭义相对论基础
实验学院数理教研室
时序: 两个事件发生的时间顺序子弹出膛事件1：子弹在实验室参考系中,应先开枪后中靶在高速运动的参考系中是否能先中靶,后开枪？结论：有因果律联系的两事件的时序不会颠倒！中靶事件2：
第四章
狭义相对论基础
实验学院数理教研室
u t x c t 1
1 2 1 2
经典力学认为：1）空间的量度是绝对的，与参考系无关； 2）时间的量度也是绝对的，与参考系无关 .
第四章
狭义相对论基础
实验学院数理教研室
注意
牛顿力学的相对性原理，在宏观、低速的范围内，是与实验结果相一致的.
三 . 经典力学的绝对时空观相对于不同的参考系 , 长度和时间的测量结果是一样的吗? 绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无关 , 长度和时间的测量是绝对的. 牛顿的绝对时空观牛顿力学的相对性原理
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2l 2 t 2 2 t d (u ) c c 2 2d 1 t' t 2 2 c 1- u 2 1- u 2 c c
t
t' u 1- 2 c
2
固有时最短
时间延缓：运动的钟走得慢 .（与结构无关）
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 ' .
1
u t x c t 1
2 2 2 2
2
u x2 x1 t2 t1 1 2 u c t 2 t1 t2 t1 1 2 c t1 t2 0 > 2 1 1 2
因为
u c
第四章
狭义相对论基础
实验学院数理教研室
§4.1 牛顿相对性原理和伽利略变换
一 . 牛顿力学的相对性原理相对于不同的参考系 , 经典力学定律的形式是完全一样的吗？牛顿力学的回答:
对于任何惯性参照系 , 牛顿力学的规律都具有
相同的形式 . 这就是经典力学的相对性原理 .
第四章
狭义相对论基础
实验学院数理教研室
-
第四章
狭义相对论基础
实验学院数理教研室
例2 静止时边长为50cm的立方体,沿着某棱边方向相对于地面运动,v=2.4108 ms-1,则在地面上测得其体积是 . 解：
v
在运动方向上，边长：
l l0 1
2
2
在与此垂直的方向上，边长不变! 体积：
V l l l
2 0
3 0
0
1 2
[思考]
若该介子产生于h=3km处,它能否到达地面?
飞行距离 l u 0.998c 1.3 105 3.8922 103 m 介子系中结果如何？
h' h 1 2 3 10 3 1 0.998 2 189 .6m
t ' h' / v 189.6 / 0.998c 6.33410 7s
实验学院数理教研室
§4.4
长度收缩
标尺相对 s' 系静止
在 s' 系中测量
s s'
z
y
y'
u
o
x '1
l0
x '2 x'
l0 x '2 x '1 l '
原长，固有长
在 S 系中测量
z'
o' x1
x2
x
l x2 x1
测量为两个事件
( x1 , t1 ), ( x2 , t 2 ) 要求 t1 t2
1 0.075 m
3
第四章
狭义相对论基础
实验学院数理教研室
[思考] ①若立方体沿某一面对角线方向运动,结果?
v
②任意形状物体沿任一方向运动,结果?
V0
v
V V0 1 (v / c)
2
V
第四章
狭义相对论基础
实验学院数理教研室
§4.5 洛伦兹变换
一洛伦兹变换式
t t ' 0 时，o, o'重合 ; 事件 P 的时空设：坐标如图所示 . P( x, y, z, t ) y y' x ut x' γ(x ut) * ( x' , y ' , z ' , t ' ) u s ' 1 β
A
原时，固有时 A
u x'
u x'
u x'
x
第四章
狭义相对论基础
实验学院数理教研室
y
y'
A
y'
u x'
A
y'
u x'
A
u x'
x
l → l 接收：△t S 系观察：发射→A
t 2 l d (u ) 2

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