y
y' v
坐 标
x x vt
y y
S
y S´
变 换
z z
t t
o
( 经典的速度叠加原理 )
速 ux ux v
vt
o'
x
x´
x
(v 恒定)
度 变
uy uy
再求导
a

a
换 uz uz
5
a

a
F F, m m
F ma F ma
以太风
11
爱因斯坦对麦克尔逊－莫雷实验的评价：
“还在学生时代，我就在想这个问题了。 我知道迈克耳逊实验的奇怪结果。我很快得 出结论：如果我们承认麦克尔逊的零结果是 事实，那么地球相对以太运动的想法就是错 误的。这是引导我走向狭义相对论的最早的 想法。”
12
• 爱因斯坦的选择
面对伽利略变换、相对性原理和麦克斯韦电磁理论三者之间的 矛盾，存在三种选择：
牛顿认为： “绝对空间，就其本性而言，与外界任何事物无 关，而永远是相同的和不动的。”
“绝对的、真正的和数学的时间自己流逝着， 并由于它的本性而均匀地、与任一外界对象无 关地流逝着”。
8
相对论的诞生前夜遇到的困难
1. 电磁场理论建立后呈现的新局面
1865年麦克斯韦建立了描述电磁现象的麦克斯韦方程组，它的 一个重要推论是存在电磁波。真空中电磁波满足的波动方程为
1905年爱因斯坦创立的狭义相对论是 基于惯性参考系的 时间、空间和运动相互关系的理论(平直时空中的时空理论)。
1915年爱因斯坦又将狭义相对论原理向非惯性系进行推广， 建立了广义相对论，进一步揭示了时间、空间和物质分布之间 的关系 (弯曲时空中的时空理论) 。
本章重点介绍狭义相对论的基本原理。
3
学习本章的正确态度
15
2. 由光速不变原理得出的有关结论
1）同时的相对性
y y'
v
设如下思想实验：
A'
M
B'
x'
O
x
在 S' 系中观察：光到达A和光到达B这两事件同时发生！
在 S系中观察： 光到达A' 和光到达B' 这两事件不会同时发生！
对不同参照系，同样两事件之间的时间间隔是不同的。
S'系 t t2 t1 0 S系 t t2 t1 0
2E

c 2 2 E

0
t 2

2
B

c
22
B

0
t 2
式中c是真空中的电磁波传播速度， c 1 3.0108 m/s
0 0
电磁波在真空中沿各方向的传播速度都等于光速
按伽利略的速度迭加 c' = c ±v 相矛盾! 9
2、解释天文现象的困难
夜空的金牛座上的“蟹状星云”，是900多年前一 次超新星爆发中抛出来的气体壳层。
取飞船为K’系 地球为K系， 飞船飞出为事 件“1”，飞回为 事件“2”
你怎么这 样老了！
老朽K系71 岁了！
亮亮
K系
对K’系：
对t'K0系：t2 't'1 1年
t0
t'0
1 2
1年 50年 1 0.99982
取飞船为K系 地球为K’系， 飞船飞出为事 件“1”，飞回为 事件“2”
since influenced all of modern physics.
Put your hand on a hot stove for a minute, and it seems like an hour. Sit with a pretty girl for an hour, and it seems like a minute. That's relativity. -Einstein
1) 超越自我认识的局限
2) 自觉摆脱经验的束缚
---以事实为依据
适用范围
逐 渐
牛顿的相对性原理
惯性系 宏观低速
深
化 狭义相对性原理 惯性系
的
过 程
广义相对性原理
所有参考系
4
第1节 伽利略变换
Galilean Transformations
设 S 与S 重合时，设定t0= t0'=0
任意 t 时刻
第5章 狭义相对论
Special Relativity
第1节 第2节 第3节 第4节 第5节
伽利略变换 狭义相对论基本假设 狭义相对论的时空观 洛仑兹变换 狭义相对论动力学简介
2
相对论是爱因斯坦创立的关于时间、空间和物质三者之 间的一个理论，可分为狭义相对论和广义相对论。相对论的 创建是二十世纪物理学最伟大的成就之一。
作业：下周一交到5T8
第5章 狭义相对论 (6学时）
Special Theory of Relativity
The year 2005 was chosen as the World Year of Physics because it marked the 100th anniversary of Albert Einstein’s “miraculous year” in which he published three important papers describing ideas that have
车的长度： L=x2–x1 =vt
原时
在S' 系看：x1点走过的距离为L'，所用时间： t
S
而: t
系测车的长度：
t
1

(
v c
)2
t t
1

(
v c
)2


L
v
L= vt vt
1
(
v c
)2

L
1 (vc )2 < L'
26
L L
1

(
v c
)2
相对论效应之一：同时性的相对性
16
2）时间膨胀（运动的时钟变慢）
设S' 系中，A' 点有一闪光光源和一接收器， 并在Y' 轴放一反射镜。 Y Y'
在S' 系看：
两事件时间间隔：
d
t

2d c
在S系看：
L d 2 (v2 t )2 Y
2d
t
2L c

c
1

(
v c
)2
C' A'
Y'
A c V
Bc
tA

c
l V
l
tB

l c
l 5千光年 抛射速度V 1500km/s
结论：在25年持续看到超新星爆发时发出的强光。
史书记载：强光从出现到隐没还不到两年。 矛盾
3、以太实验的0结果
按照经典物理学理论，光乃至一切电磁波必须借助静止的以 太来传播。地球的公转产生相对于以太的运动，因而在地球上两 个垂直的方向上，光通过同一距离的时间应当不同，这一差异在 迈克尔逊干涉仪上应产生0.04个干干涉条纹移动。1881年，迈克 耳孙在实验中未观察到这种条纹移动。1887年，迈克尔逊和著名 化学家莫雷合作，改进了实验装置，但仍未发现条纹有任何移动。 这次实验的结果暴露了以太理论的缺陷，动摇了经典物理学的基 础。
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.
14
1. 爱因斯坦的两个基本假设
对所有惯性系，物理规 律都是相同的。
不存在任何一个特殊的惯 性参照系。
在任何惯性系中，光在 真空中的速率都等于同一 量值c 。近代测量值：
c=299792458+-1.2m/s
关键概念：相对性和不变性 .

=1.8 10-7s
1.8 107 52.6m
19
例2. 一宇宙飞船以 v = 9 103 m/s 的速率相对地面
匀速飞行，飞船上的钟走了5s，地面上的钟测
量经过了多少时间？
解： 原时 t5s
则：t
t
1 (v / c)2
5 1 9103 3108 2
爱因斯坦开始寻找与相对性原理和麦克斯韦电磁理论 和谐一致的新的时空变换.
13
第2节 狭义相对论基本原理
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1921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 .
= 5.000000002 s
t t
所以，当 v << c 时: t t , 与参照系无关。
20
t t
1

(
v c
)2
问：一个光子的寿命？ 时间是静止的！
骑在一束光上是什么感觉？
永远年青！
注意:时间的延缓是时空的自身的一种特性,与过程是生 物的,化学的还是机械的无关!包括人的生命.为此介绍 双生子佯谬.(Twin paradox)
并测得它在衰变之前通过的平均距离为52m。这些
测量结果说明什么？
解：若不考虑相对论效应 t t= 2.5 10-8s
它在实验室走过的距离为：
l vt 0.99 3 108 2.5 108 7.4m
考虑时间膨胀效应：
则:
t l


v1tt(vc0).92 9231.5011.9009882