下载文档原格式
相对论简介：时空的弯曲相对论是现代物理学的重要分支，由爱因斯坦于20世纪初提出。
它是描述物质和能量在时空中运动的理论，引领了人类对宇宙本质的认识。
本文将介绍相对论的基本概念和原理，重点探讨时空的弯曲效应。
1. 狭义相对论狭义相对论是相对论的基础，主要研究非加速参考系下的物理现象。
其核心思想是：物理定律在所有惯性参考系中都具有相同的形式。
狭义相对论引入了两个重要概念：相对性原理和光速不变原理。
1.1 相对性原理相对性原理指出物理定律在所有惯性参考系中都具有相同的形式。
这意味着无论我们处于何种运动状态，物理规律都不会改变。
这一原理颠覆了牛顿力学中绝对时间和绝对空间的观念，提出了一种新的时空观念。
1.2 光速不变原理光速不变原理是狭义相对论的核心之一。
它指出光在真空中的速度是一个恒定值，与光源和观察者的运动状态无关。
这一原理对于描述光的传播和测量提供了基础，也为后续的相对论发展奠定了基础。
2. 广义相对论广义相对论是相对论的拓展，主要研究引力和时空的弯曲效应。
它在狭义相对论的基础上引入了引力场概念，并提出了著名的爱因斯坦场方程。
2.1 引力场和时空弯曲广义相对论认为引力是由物质和能量所产生的时空弯曲效应。
物质和能量使时空发生弯曲，而其他物体则沿着这个弯曲的时空路径运动。
这种时空弯曲被称为引力场，它决定了物体在引力作用下的运动轨迹。
2.2 爱因斯坦场方程爱因斯坦场方程是广义相对论的核心方程，描述了时空的几何结构和物质能量分布之间的关系。
它将时空的弯曲与物质能量的分布联系起来，形式简洁而优美。
爱因斯坦场方程的解决方法为我们研究引力现象提供了重要的工具。
3. 时空弯曲的实验证据相对论的理论预言在实验和观测中得到了广泛的验证。
以下是一些重要的实验证据：3.1 光的偏折爱因斯坦预言了光线在引力场中会发生偏折的现象。
1919年，英国天文学家艾登顿领导的观测团队通过观测日食期间恒星光线的偏折，验证了相对论的预言。
3.2 时间膨胀相对论预言物体在引力场中时间会变慢，这被称为时间膨胀效应。
相对论简介时间与空间相对论简介：时间与空间相对论是由爱因斯坦提出的一种物理学理论，它在20世纪初对整个物理学领域产生了深远的影响。
相对论主要包括狭义相对论和广义相对论两个部分，其中狭义相对论主要研究的是惯性系之间的相对运动，而广义相对论则进一步将引力纳入其中，描述了质量和能量如何影响时空的弯曲。
在相对论的世界里，时间与空间并不是独立的，它们之间存在着密切的联系和相互影响。
1. 狭义相对论中的时间与空间在狭义相对论中，爱因斯坦提出了著名的相对论性质量增加公式E=mc^2，其中c为光速。
这个公式揭示了质量和能量之间的等价关系，也揭示了时间与空间的相对性。
根据狭义相对论，时间和空间并不是绝对的，它们的流逝和长度会随着观察者的运动状态而发生变化。
这就是著名的时间膨胀和长度收缩效应。
在狭义相对论中，时间是第四维，与空间一起构成了时空。
观察者的运动状态会影响时间的流逝速度，即运动的观察者会感觉时间比静止观察者慢。
这就是时间膨胀效应。
同时，空间的长度也会因为观察者的运动状态而发生变化，即在运动方向上的长度会收缩，这就是长度收缩效应。
这些效应在高速运动和相对论性的情况下会变得非常显著，从而改变了我们对时间和空间的传统认识。
2. 广义相对论中的引力与时空弯曲广义相对论进一步将引力引入了相对论的框架中，提出了时空的弯曲概念。
根据广义相对论，质量和能量会使时空发生弯曲，物体沿着弯曲的时空轨迹运动。
这就是著名的引力弯曲效应。
引力不再被看作是两个物体之间的吸引力，而是由于时空的弯曲而产生的效应。
在广义相对论中，时空被看作是一个整体，质量和能量会使时空产生弯曲，而时空的弯曲又会影响物体的运动轨迹。
这种理论在解释宇宙中大规模结构和引力现象时具有重要意义。
例如，黑洞就是由于极端的引力弯曲了时空，使得周围的物体无法逃离其吸引力范围。
3. 时间与空间的统一相对论的提出颠覆了牛顿力学的经典观念，重新定义了时间与空间的关系。
时间与空间不再是独立的，它们被统一在时空的概念中。
简介相对论
相对论是现代物理学的理论基础之一。
论述物质运动与空间时间关系的理论。
20世纪初由爱因斯坦创立并和其他物理学家一起发展和完善，狭义相对论于1905年创立，广义相对论于1916年完成。
19世纪末由于牛顿力学和（苏格兰数学家）麦克斯韦（1831~1879年）电磁理论趋于完善，一些物理学家认为“物理学的发展实际上已经结束”，但当人们运用伽利略变换解释光的传播等问题时，发现一系列尖锐矛盾，对经典时空观产生疑问。
爱因斯坦对这些问题，提出物理学中新的时空观，建立了可与光速相比拟的高速运动物体的规律，创立相对论。
狭义相对论提出两条基本原理。
（1）光速不变原理。
即在任何惯性系中，真空中光速c都相同，与光源及观察者的运动状况无关。
（2）狭义相对性原理是物理学的基本定律乃至自然规律，对所有惯性参考系来说都相同。
广义相对论
爱因斯坦的第二种相对性理论（1916年）。
该理论认为引力是由空间——时间几何（也就是，不仅考虑空间中的点之间，而是考虑在空间和时间中的点之间距离的几何）的畸变引起的，因而引力场影响时间和距离的测量.
广义相对论：爱因斯坦的基于光速对所有的观察者（而不管他们如何运动的）必须是相同的观念的理论。
它将引力按照四维空间—时间的曲率来解释。
狭义相对论和万有引力定律，都只是广义相对论在特殊情况之下的特例。
狭义相对论是在没有重力时的情况；而万有引力定律则是在距离近、引力小和速度慢时的情况。
600千米的距离观看十倍太阳质量黑洞模拟图
在600千米的距离上观看十倍太阳质量的黑洞（模拟图），背景为银河系。
相对论简介：时空的弯曲爱因斯坦的相对论是20世纪科学史上最伟大的成就之一，它根本上改变了我们对时空的理解。
相对论分为两个主要部分：特殊相对论和广义相对论。
特殊相对论在1905年提出，主要关注在恒速运动下物体的行为。
广义相对论于1915年完成，进一步扩展了特殊相对论的概念，特别是引入了引力与时空的关系。
本文将对这两个部分进行深入探讨，解析时空弯曲的概念。
一、特别相对论的提出在19世纪末和20世纪初，物理学界面临着光速不变性和运动状态之间矛盾的问题。
尽管当时的经典力学理论（如牛顿力学）在许多情况下都能很好地描述运动，但在靠近光速的情况下，经典理论却无法成立。
1905年，阿尔伯特·爱因斯坦通过提出特殊相对论成功解决了这一问题。
1. 牛顿与光速牛顿的经典力学认为，一个物体的速度是相对于观察者而定的。
如果两个物体都朝同一个方向移动，那么他们之间的速度可以通过简单的加法来计算。
然而，爱因斯坦指出，对光来说情况则截然不同：根据麦克斯韦方程组，光速在真空中是一个常数，无论观察者的运动状态如何。
2. 时空统一特殊相对论最大的贡献之一是将时间与空间统一为一个四维宇宙结构，称为“时空”。
爱因斯坦提出，时间和空间并不是绝对独立存在的，而是互相关联、彼此影响。
人们在观察快速运动物体时，会发现时间流逝变慢（时间膨胀）以及长度收缩等现象。
这些看似悖论的结论来源于光速不变性，即所有观察者测量到的光速都相同。
3. 质能关系特殊相对论中的另一个重要公式是著名的质能关系公式：E=mc²。
其中E代表能量，m代表质量，c代表光速。
这一公式揭示了物质和能量可以相互转化，为核能的发展奠定了理论基础。
二、广义相对论的扩展广义相对论于1915年提出，是爱因斯坦在特殊相对论基础上进一步扩展而成。
这一理论主要讨论的是引力及其如何影响时空。
1. 引力与几何广义相对论认为，引力并不是一种作用力，而是由于大质量物体使得周围时空发生弯曲而引起的一种现象。
初中物理每章知识点总结初中物理是一门基础科学课程，它旨在帮助学生理解自然界的基本原理和现象。
以下是初中物理各章节的知识点总结：# 第一章：物理初步- 物理学的定义：研究自然界物质结构、物体间相互作用和运动规律的科学。
- 测量基础：长度、质量、时间的测量工具和单位。
- 误差和精度：误差的概念，减小误差的方法，以及如何提高测量的精度。
# 第二章：机械运动- 描述运动：速度、加速度的概念及其计算方法。
- 运动的图形表示：速度-时间图和位移-时间图。
- 力的作用：牛顿运动定律，力的合成与分解，摩擦力。
# 第三章：力和运动- 力的概念：力的定义，单位，以及基本性质。
- 力的测量：弹簧秤的使用。
- 力的分类：重力、弹力、摩擦力等。
# 第四章：压强和浮力- 压强的定义：压力与受力面积的关系。
- 液体压强：液体压强的计算，连通器的原理。
- 浮力：阿基米德原理，浮力的计算。
# 第五章：功和能- 功的概念：功的定义，功的计算公式。
- 机械能：动能和势能的概念及其计算。
- 能量守恒定律：能量守恒的基本原理。
# 第六章：声现象- 声音的产生：振动产生声音的原理。
- 声音的传播：声波在不同介质中的传播。
- 声音的特性：音调、响度和音色的区分。
# 第七章：光现象- 光的直线传播：光在均匀介质中的传播规律。
- 光的反射：反射定律，平面镜成像。
- 光的折射：折射现象，透镜成像。
# 第八章：热现象- 温度的概念：温度的定义和测量。
- 热传递：热传导、热对流和热辐射。
- 热量的计算：热量与温度变化的关系。
# 第九章：物质的相变- 相变的定义：物质从固态到液态、液态到气态的转变。
- 熔化和凝固：熔点和凝固点的概念，熔化热和凝固热的计算。
- 蒸发和凝结：蒸发过程，凝结现象。
# 第十章：电流和电路- 电荷与电场：电荷的性质，库仑定律，电场的概念。
- 电路的基本概念：电流、电压、电阻的定义及其关系。
- 串联和并联电路：串联电路和并联电路的特点及计算。
第十二章相对论简介§12.1 狭义相对论的历史背景§12.1.1 麦克斯韦方程建立引起的问题§12.1.2 菲索与迈克耳孙—莫雷实验§12.1.3 关于相对性原理的思考第十二章相对论简介§12.1 狭义相对论的历史背景§12.1.1 麦克斯韦方程建立引起的问题1865年麦克斯韦预言了电磁波的存在.机械波的传播介质是弹性连续介质.电磁波的传播介质？——以太(Aether)麦克斯韦方程不具备伽利略变换的不变性.以太是否存在？§12.1.2 菲索与迈克耳孙——莫雷实验由经典理论,由B处分成的两束光回至B处时间差为k 为曳引系数, 0<k <1 水速v <<c菲索实验认为以太被部分拖动. 对于空气可认为不被曳引. 2. 迈克孙—莫雷实验设计初想: 测出地球相对于以太的运动速度. 基本原理：光相对绝对参照系 c , 光相对运动系(地球) c ¢,运动系(地)相对绝对系v , 利用干涉条纹移动测 c ¢ .(可测) (已知) (推知)地球相对以太的速度 （公转速度）光沿①(GM 2)往返一次的时间为⎥⎦⎤⎢⎣⎡+--=kv n c kv n c l t )/(1)/(12Δ22/4Δc l kvn t ≈vc c-='干涉条纹v c l v c l t ++-=1)/11(222c v c l -=)1(222c v c l +≈光沿②往返一次的时间为将干涉仪转90°，得时间差的改变，对应光程差的改变，从而引起干涉条纹的移动。
实验结果：无条纹的移动。
迈克耳孙－莫雷实验否定了“以太”的存在。
§12.1.3 关于相对性原理的思考经典力学是建立在绝对时空观的基之上. 爱因斯坦建立了相对论时空观.往 2 c 'vc 返2 c 'v c M 222222222v c l vc l vc l t -=-+-=21(222cv c l +≈21Δt t t -=22c v c l ≈222Δ2c v c l t ≈。
相对论简要介绍相对论是物理学中非常重要的理论，它由爱因斯坦提出，包括狭义相对论和广义相对论两部分。
它对我们理解宇宙、时间和空间的本质起着重要的作用。
本文将简要介绍相对论的基本概念和一些重要应用。
1. 狭义相对论狭义相对论是相对论的起点，它基于两个基本假设：等效原理和光速不变原理。
等效原理指出，在任何惯性参考系中，物理定律的表达式都是一样的。
光速不变原理则表示，真空中光速在任何惯性参考系中都是恒定的。
基于以上两个假设，狭义相对论提出了一系列的结论。
其中最著名的是时间的相对性和长度的收缩效应。
根据狭义相对论，时间并非在所有参考系中都是一致的，而是依赖于观察者的运动状态。
当速度接近光速时，时间会变慢。
同时，也提出了长度收缩的概念，即在高速运动物体的参考系中，物体的长度会变短。
2. 广义相对论广义相对论是相对论的扩展，它引入了引力的概念。
相较于狭义相对论，广义相对论更加复杂，但也更加全面。
广义相对论提出了引力是时空弯曲的结果，物体在引力场中的运动轨迹会因为时空的弯曲而发生改变。
爱因斯坦的场方程是广义相对论的核心，该方程描述了物质和能量分布如何影响时空的弯曲。
根据场方程，大质量物体会产生强大的引力场，其弯曲效应可通过引力透镜和时空弯曲对光的偏折进行验证。
广义相对论也给出了著名的爱因斯坦方程：E=mc²，它描述了质量和能量之间的关系。
这个方程揭示了质量可以转化为能量，也表明质量不仅仅是物体固有的性质，还和其能量联系在一起。
3. 应用领域相对论在很多领域都发挥着重要的作用。
首先是宇宙学，相对论为我们解释了宇宙的起源、演化和结构提供了理论基础。
其次，相对论对于卫星导航系统和精密测量也有着重要的应用，它们的设计和运行都需要考虑到相对论效应的影响。
此外，相对论还在电子学中得到应用，例如核能和粒子加速器等。
总结：相对论是物理学中的重要理论，包括狭义相对论和广义相对论两部分。
狭义相对论着重讨论了时间相对性和长度收缩效应，而广义相对论则引入了引力的概念，描述了时空的弯曲效应。
相对论简介【学习目标】1．理解经典的相对性原理．2．理解光的传播与经典的速度合成法则之间的矛盾．3．理解狭义相对论的两个基本假设．4．理解同时的相对性．5．知道时间间隔的相对性和长度的相对性．6．知道时间和空间不是脱离物质而单独存在的7．知道相对论的速度叠加公式．8．知道相对论质量．9．知道爱因斯坦质能方程．10．知道广义相对性原理和等效原理．11．知道光线在引力场中的弯曲及其验证．【要点梳理】【高清课堂：相对论简介】要点一、相对论的诞生1．惯性系和非惯性系牛顿运动定律能够成立的参考系叫惯性系，匀速运动的汽车、轮船等作为参考系就是惯性系．牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系．例如我们坐在加速的车厢里，以车厢为参考系观察路边的树木房屋向后方加速运动，根据牛顿运动定律，房屋树木应该受到不为零的合外力作用，但事实上没有，也就是牛顿运动定律不成立．这里加速的车厢就是非惯性系．相对于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．伽利略相对性原理力学规律在任何惯性系中都是相同的．即任何惯性参考系都是平权的．这一原理在麦克尔逊—莫雷实验结果面前遇到了困惑，麦克尔逊—莫雷实验和观测表明：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的．3．麦克尔逊—莫雷实验（1）实验装置，如图所示．（2）实验内容：转动干涉仪，在水平面内不同方向进行光的干涉实验，干涉条纹并没有预期移动．（3）实验原理：如果两束光的光程一样，或者相差波长的整数倍，在观察屏上就是亮的；若两束光的光程差不是波长的整数倍，就会有不同的干涉结果．由于1M 和2M 不能绝对地垂直，所以在观察屏上可以看到明暗相间的条纹．如果射向1M 和2M 的光速不相同，就会造成干涉条纹的移动．我们知道地球的运动速度是很大的，当我们将射向M 的光路逐渐移向地球的运动方向时，应当看到干涉条纹的移动，但实际结果却看不到任何干涉条纹的移动．因此，说明光在任何参考系中的速度是不变的，它的速度的合成不满足经典力学的法则，因此需要新的假设出现，为光速不变原理的提出提供有力的实验证据．（4）实验结论：光沿任何方向传播时，相对于地球的速度是相同的．4．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，一切物理定律总是相同的．（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．【高清课堂：相对论简介】要点二、时间和空间的相对性1．“同时”是相对的A B 、两个事件是否同时发生，与参考系的选择有关．汽车以较快的速度匀速行驶，车厢中央的光源发出的闪光，对车上的观察者，这个闪光照到车厢前壁和后壁的这两个事件是同时发生的．对车下的观察者，他观察到闪光先到达后壁后到达前壁．这两个事件是不同时发生的．2．长度的相对性（尺缩效应）长度的测量方法：同时测出杆的两端M N 、的位置坐标．坐标之差就是测出的杆长．如果与杆相对静止的人认为杆长为0l ．与杆相对运动的人认为杆长为l ．则 201v l l c ⎛⎫=- ⎪⎝⎭． 一根沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度小，而在垂直于运动方向上，杆的长度没有变化．3．时间间隔的相对性（钟慢效应）某两个事件在不同的惯性参考系中观察，它们的时间间隔不一样．在与事件发生者相对静止的观察者测出两事件发生的时间间隔为τ∆，与事件发生者相对运动的观察者测得两事件发生的时间间隔为t ∆． 21t v c ∆=⎛⎫- ⎪⎝⎭．4．相对论的时空观相对论认为空间和时间与物质的运动状态有关．经典物理则认为空间和时间是脱离物质而存在的，是绝对的，空间与时间之间没有什么联系．虽然相对论更具有普遍性，但是经典物理学作为相对论在低速运动时的特例，在自己的适用范围内还将继续发挥作用．【高清课堂：相对论简介】要点三、狭义相对论的其他结论1．相对论速度变换公式相对论认为，如果一列沿平直轨道高速运行的火车对地面的速度为v ，车上的人以速度u ＇沿着火车前进的方向相对火车运动，那么这个人相对地面的速度2''1u v u u v c+=+． 理解这个公式时请注意：（1）如果车上的人的运动方向与火车的运动方向相反，则u ＇取负值．（2）如果v c ，'u c ，这时2'u v c 可忽略不计，这时相对论的速度合成公式可近似变为u u v =+＇（3）如果u ＇与v 的方向相垂直或成其他角度时，情况比较复杂，上式不适用．2．相对论质量相对论中质量和速度的关系为m =．理解这个公式时请注意：（1）式中0m 是物体静止时的质量（也称为静质量），m 是物体以速度v 运动时的质量．这个关系式称为相对论质速关系，它表明物体的质量会随速度的增大而增大．（2）v c 时，近似地0m m =．（3）微观粒子的运动速度很高，它的质量明显地大于光子质量．例如回旋加速器中被加速的粒子质量会变大，导致做圆周运动的周期变大后，它的运动与加在D 形盒上的交变电压不再同步，回旋加速器的加速能量因此受到了限制．3．质能方程爱因斯坦质能关系式：2E mc =．理解这个公式请注意：（1）质能方程表达了物体的质量和它所具有的能量的关系：一定的质量总是和一定的能量相对应．（2）静止物体的能量为200E m c =，这种能量叫做物体的静质能．每个有静质量的物体都具有静质能．（3）对于一个以速率v 运动的物体，其动能222001)k E m c mc m c =-=-．（4）物体的总能量E 为动能与静质能之和，即20k E E E mc =+=（m 为动质量）．（5）由质能关系式可知2E mc ∆=∆．（6）能量与动量的关系式E ∆= 【高清课堂：相对论简介】要点四、广义相对论、宇宙学简介1．狭义相对论无法解决的问题（1）万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架．（2）惯性参考系在狭义相对论中具有特殊的地位．2．广义相对论的基本原理（1）广义相对性原理：爱因斯坦把狭义相对性原理从匀速和静止参考系推广到做加速运动的参考系，认为所有的参考系都是平权的，不论它们是惯性系还是非惯性系，对于描述物理现象来说都是平等的．（2）等效原理：在物理学上，一个均匀的引力场等效于一个做匀加速运动的参考系．3．广义相对论的几个结论（1）光线在引力场中偏转：根据广义相对论，物质的引力会使光线弯曲，引力场越强，弯曲越厉害．通常物体的引力场都太弱，但太阳引力场却能引起光线比较明显的弯曲．（2）引力红移：按照广义相对论，引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别．例如，在强引力的星球附近，时间进程会变慢，因此光振动会变慢，相应的光的波长变长、频率变小，光谱线会发生向红光一端移动的现象．光谱线的这种移动是在引力作用下发生的，所以叫“引力红移”．（3）水星近日点的进动：天文观测显示，行星的轨道并不是严格闭合的，它们的近日点（或远日点）有进动（行星绕太阳一周后，椭圆轨道的长轴也随之有一点转动，叫做“进动”），这个效应以离太阳最近的水星最为显著．广义相对论所作出的以上预言全部被实验观测所证实．还有其他一些事实也支持广义相对论．目前，广义相对论已经在宇宙结构、宇宙演化等方面发挥主要作用．（4）时间间隔与引力场有关，引力场的存在使得空间不同位置时间进程出现差别．（5）杆的长度与引力场有关．空间不是均匀的，引力越大的地方，长度越小．4．大爆炸宇宙学宇宙起源于一个奇点，在该奇点，温度为无穷大，密度为无穷大，空间急剧膨胀，即发生宇宙大爆炸．之后，宇宙不断膨胀，温度不断降低，大约经历200亿年形成我们今天的宇宙．宇宙还处于膨胀阶段，未来将会怎样演化，目前还不能完全确定．要点五、本章知识结构要点六、专题总结1．时空的相对性（1）“同时”的相对性：在经典的物理学上，如果两个事件在一个参考系中认为是同时的，在另一个参考系中一定也是同时的；而根据爱因斯坦的两个假设，同时是相对的．（2）“长度”的相对性：①如果与杆相对静止的人认为杆长是0l ，与杆相对运动的人认为杆长是l，则两者之间的关系为：l l = ②一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度小．（3）“时间间隔”的相对性：运动的人认为两个事件时间间隔为τ∆，地面观察者测得的时间间隔为t ∆，则两者之间关系为：t ∆=．2．质速关系与质能关系（1）质速关系物体以速度v 运动时的质量m 与静止时的质量0m 之间的关系：m =（2）质能关系①相对于一个惯性参考系以速度v 运动的物体其具有的相对论能量2E mc ===．其中200E m c =为物体相对于参考系静止时的能量．②物体的能量变化E ∆与质量变化m ∆的对应关系：2E mc ∆∆=．【典型例题】类型一、相对论的诞生例1如图所示，在列车车厢的光滑水平面上有一质量为 5 kg m =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 5 N F =的拉力作用，求经过10 s 时，车厢里的观察者和地面的观察者看到小球的速度分别是多少？【思路点拨】力学规律在任何惯性系中都是相同的．【答案】见解析【解析】对车上的观察者：物体的初速00v =，加速度21m/s F a m==， 经过10 s 时速度110 m/s v at ==．对地上的观察者解法一：物体初速度020 m/s v =，加速度相同21m/s F a m==． 经过10 s 时速度2030 m/s v v at =+=．解法二：根据速度合成法则()210 1020 m/s 30 m/s v v v =+=+=．【总结升华】在两个惯性系中，虽然观察到的结果并不相同，一个10 m/s ，另一个30 m/s ，但我们却应用了同样的运动定律和速度合成法则．也就是说，力学规律在任何惯性系中都是相同的．例2 考虑几个问题：（1）如图所示，参考系O ＇相对于参考系O 静止时，人看到的光速应是多少？（2）参考系O ＇相对于参考系O 以速度v 向右运动，人看到的光速应是多少？（3）参考系O 相对于参考系O ＇以速度v 向左运动，人看到的光速又是多少？【答案】三种情况都是c ．【解析】根据速度合成法则，第一种情况人看到的光速应是c ，第二种情况应是c v +，第三种情况应是c v -，此种解法是不对的，而根据狭义相对论理论知，光速是不变的，都应是c ．【总结升华】麦克耳孙——莫雷实验证明了光速在任何惯性参考系中的速度是不变的，对于高速物体，伽利略速度合成法则不再适用．类型二、时间和空间的相对性例3（2014 长沙模拟)(1)某火箭在地面上的长度为L 0，发射后它在地面附近高速(约0.3c )飞过，关于地面上的人和火箭中的人观察到的现象，以下说法正确的是________。
第十二章 相对论简介§12.1 狭义相对论的历史背景一、麦克斯韦方程建立引起的问题。
1．1865年：麦克斯韦—《电磁场的动力学理论》；后：《电磁学》—麦克斯韦方程组。
认为：①电磁效应以有限速度传播；②预言了电磁波的存在；③认为他以前提出的“以太”媒质是存在的。
以太的特性：可在填塞空间和渗入物体；它能运动，并将该运动从一部分传到另一部分。
问题是：“以太”是否存在？“实验验证”！ 2．电磁现象不服从伽利略相对性原理。
a. 对于力学现象：一条静止或匀速运动的船上的封闭的实验，不能确定船是否运动。
b. 分析电磁现象：设一刚性短棒两端有一对异号电荷q ±；与船前进方向成倾角θ放置。
图a:船静止时，两电荷间只有静电吸引力'E E f f .。
沿其连线，对短棒不形成力矩。
图b ：船以v 匀速前进，正负电荷的运动分别在对方所在处形成磁场B B '和（利用电流产生磁场的判定方法判定），方向如图所示。
垂直穿入纸面内。
B v q f M ϖϖϖ⨯=B v q f M '⨯='ϖϖϖ这一对磁力对短棒形成力矩，使之沿逆时针转动。
这样与静止不同，使可用比判定封闭的船是运动的。
我们的地球就是一条在“以太”中航行的太船，1902—1903年，特鲁顿和诺贝尔作了这类实验检验地球是否与“以太”媒质有相对运动。
获得的是零结果→无法判定。
这说明：①用电磁理论与经典力学来分析，伽利略相对性原理本应对电磁现象失效，但实验表明，利用电磁现象，地球这个在以太中的大船是否漂移—零结果。
②麦克斯韦方程对伽利略变换不具备不变性。
二、菲索与迈克耳孙—莫雷实验。
这些实验均是对“以太”的观察实验。
1．菲索在1851年所作的流水对光速影响的实验：实验装置： 见382p设：光相对以太的速率为nc ，，c n 为折射率为真空中的光速。
以太被水流部分曳引，曳引系数为10,==。
k k k 不拖动完全拖动，10<<k 部分拖动。
以太相对地面的速度为kv ，v 为水流速度。
设上下两水管长度均为l 。
分析：两束光在水管外光速相同（媒质静止，不拖动以太）光程相同，不引起时间差，两水管内，光的方向与水流方向分相同、相反两种情况。
以太也将被拖动，根据经典理论，光在“以太”中的传播速度不同，引起时间差。
22222/ln 4)(4112c kv v k n c lkv kv n c kv n c l t ≈-=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+--=∆ ①若0=v 水静止， 0=∆t 由0=∆t →0≠∆t ，相位差改变，出现干涉条纹波移动。
②若0≠v 水流动， 0≠∆t →求出k →以太被部分拖动。
对空气0k →认为以太不被空气拖曳。
2．迈克耳孙—莫雷实验—以太风实验零结果。
认为以太无处不在时，在某中飞行的地球应感受到迎面吹来的以太风。
迈克耳孙—莫雷实验原理：两个假设：①以太相对太阳静止。
→以太不被空气拖曳。
②光对以太风的传播满足经典速度合成。
① 见382p图12.2(a)2GM 沿地球公转方向，以干涉仪为参考系，以太风速度为V ϖ。
②图b 中，光沿2GM 往返一次的时间为：)1(2112222221cv c l cv c l vc vl cl vl cl v c l v c l t +≈-=--++=++-= ;11∆'t R G M M 为 2vt G G =' 211221t v G G M M ='=' l G M =1 221t c G M ⋅='2222222121121)2()2(vtl ct G M M M G M +=⇒+'=')21(2222c v c l t +=2221c v c l t t t =-=∆沿顺时针转,450因两臂对称，0=∆t ，再转,45022cv c l t =∆ 总的改变量：2222c v c l t =∆时间差改变，意味着两束光在相遇处相位差改变—从而干涉条纹移动。
预言：0.4个条纹移动，实验：<0.01，→实际无移动。
结论：①否定了以太相对太阳静止，光的传播满足经典速度合成公式的假设。
②认为以太似乎应当被空气拖动。
→与菲索实验相佐。
三、速度合成律中的问题。
设u ϖ：一个人相对自己的掷球速度；V ϖ：人相对地面跑动速度。
则：球出手时相对地面的速度为v ϖ。
V u v ϖϖϖ+=这一结果用到光的传播上，出现问题。
设：甲击球给乙，两人间相距为l ，即将击球前，球暂处于静止状态。
球上发出的光相对地面速度为c ，乙看到的情景比实际晚clt =∆在极短的冲击力作用下，球出手时速度为v ，则球出手时，球上发出的光相对地面向乙的传播速度为c+v ，则乙看到球出手的时间对实际晚vc lt +='∆由于t t ∆<'∆，即乙先看到球出手，后见到球被击。
因果律不成立。
天文学的例子：蟹状星云是900多年前一次超新星爆发生抛出的气体壳层。
（史书有记载）爆发“艺角四出，色赤白”。
到慢慢暗下来，隐没，历时两年。
l ≈5000光年 km v 1500≈ clt =y c l t +='25≈'-=∆t t t 年即：我们应在25年内持续看到爆发时的强光，实际史书记载只有两年，怎么解释。
四、质量随速度增加牛顿力学中：m 为常数。
考夫曼：1901确定镭发出的β射线（高速电子束）荷质比me 的实验中发现v me与有关，有关随不变v ，m e 。
五、关于相对性原理的思考：①1894年，菲兹杰惹：认为以太不被拖动，设物体沿运动方向缩短。
因子为221c v- →可解释迈克耳孙一莫雷实验 ②1893：洛伦兹，提出洛论兹变换：→可使麦克斯韦方程组对该变换保持形式不变。
但这些修补，没有彻底解问题，不抛弃以太，有一个特殊参考系，便没有彻底的相对性原理。
§12.2 洛伦兹变换一、狭义相对论的基本假设。
1． 相对性原理：所有的惯性系都是平权的，在它们之中所有的物理规律都一样。
2． 光速不变原理：在所有的惯性系中测量到的真空光速c 都是一样的。
二、洛伦兹变换：目的：寻找一种新的时空坐标变换关系，它必须满足：1.狭义相对性原理; 2.光速不变原理; 3.包容伽利略变换.(使伽利略变换重新成立)设:两惯性参考系o o S S ''与..重合时为记时起点,此时点光源从原点发出一光脉中,S V S 相对以ϖ'系运动.根据光速不变原理:)..(:z y x S 光到点系观察者处的时间:cz y x t 222++=022222=-++t c z y x (1)S ' 系观察者:光到点)..(z y x 处的时间:c z y x t /222''+'='022222='-'+'+'t c z y x (2)1.若以伽利略变换y y vt x x '=-=', z z =' t t ='代入(2)式,得不到(1)式,即伽利略变换不能同时满足以上两式(即不能满足光速不变原理)2.寻找新变换(洛伦兹变换)令: t x x εα+=' y y =' z z =' t x t ηδ+=' (3) 利用初始条件:0='x 时,;v dt dx = 0=x 时, v t d x d -=''αε-==dt dx v (4) 结合:t x x εα+=' εαxx t -'= (5)将(5)代入(3)中: )(x x x t αεηδ-'+=' (6) 令: 0=x ,则由(6)式ηεηε-=⇒=''=-v t d x d v (7) 比较(4)(7):ηα= (8) 即: ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+='='='+='tx t z z y y tx x αδεα (9)将(9)式代入(2)式之中整理:22222)()(t x c z y t x αδεα+=+++)2(222222222222t xt x c z y t xt x αδαδεαεα++=++++ (10)要使(10)式与(1)式一致,比较系数应满足:xt c xt δααε222= δααε2c =22222)(x x c =-δα ⇒ 1222=-δαc (11) 222222)(t c t c =-εα 2222c c =-εα利用v αε-=即（4）式代入（11）式中消去ε可得：2211c v -=α221c v v --=ε2221cv c v --=δ 2211c v-==αη （12）将（12）代入（6）中得洛伦兹变换 S S 到'系的变换： 22211β--=--='vt x c v vt x xy y =' 其中222c v=βz z =' （13） 2221cv x c v t t --=' S S '到的逆变换：21β-+'=vt x x V V -→带撇与不带撇量对调y y '= z z '= 221β-'+'=v c x t t讨论：（1）.洛伦兹变换对于（1），（2）两式都成立，即满足了光速不变原理。
（2）.若v<<c,即0→β时，此变换即回到伽利略变换，这意味着：a.洛伦兹变换包容了伽利略变换；b.伽利略变换即：∞→⇒→c 0β（3）.要使t x '',为实数，v 不可能超过c ，即任何物体的速度不会超过光速。
三、洛伦兹变换蕴含的时空观。
1．同时性的相对性：两事件A ，B ，在两个考察系中观察时，其时空坐标为：S 系：),,,(:111t z y x A →),.,(:222t z y x B 在S 两事件是同时的。
S '系：1111,,,(:t z y x A '''' ） ),.,(:2222t z y x B '''':则221212222221211)(11βββ--='-'⇒⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫--='--='x x c v t t x c v t t x c vt t 结论：S 系中两事件同时发生时，若在S '系：①1221:,t t x x '='=则同时 ②若1221:,t t x x '≠'≠则则不同时。
同时性与参考系选择有关。
同时性的相对性源于光速不变原理。
