狭义相对论

第五章 狭义相对论

教学基本要求

1. 理解经典力学时空观的主要观点，了解迈克尔逊-莫雷实验。

2. 理解爱因斯坦狭义相对论的两条基本原理。掌握洛仑兹坐标变换，并能分析、计算在不同惯性系中运动质点的时空变换问题。

3. 掌握狭义相对论时空观的主要观点: 同时的相对性、长度收缩和时间膨胀，并能作简单的计算。

4. 掌握狭义相对论动力学的几个重要结论如质速关系、质能关系及其应用，了解能量和动量的关系。

教学内容提要

1. 狭义相对论的两个基本原理（假设）

1． 相对性原理 在所有惯性系中，物理定律都具有相同形式；或者说，对于描述物理规

律而言，所有惯性系都是等价的，没有绝对优越的惯性系。

2． 光速不变原理 在所有惯性系中，光在真空中的传播速度均为c ,与光源运动是否无

关。

2.洛伦兹变换

（1）洛伦兹坐标变换

'S 系到S 系的时空变换（正变化）

22()()x x vt y y

z z

v t x v t t x c γγ?'==-????'=??'?=??-

?'==-????

（5-1a ） S 系到'S 系的坐标变换（逆变化）

2()()x x vt y y z z v t t x c γγ''=+??'=??'=???''=+??

（5-1b ）

式中

v

c β=，211βγ-= （5-2）

（2）洛伦兹速度变换

'S 系到S 系的变换

2'22'1(1)'(1)x x x y y x z z x u v u v u c u u v u c u u v u c γγ?-?=?-????=??-??=??-??

（5-3a ） S 系到'S 系的变换

222'1''(1')'(1')x x x y y x z z x u v u v u c u u v u c u u v u c γγ?+?=?+????=??+??=??+??

（5-3b ） 3.狭义相对论的时空观

（1）同时的相对性 在同一地点同时发生的两个事件，无论在哪个惯性系中观测都是同时发生的；在某个惯性系中不同地点同时发生的事件，在其他惯性系中则不是同时发生。

（2）时间膨胀效应（事件间隔的相对性） 在相对于观测者静止的惯性系中测得的同

地先后发生的两个事件的时间间隔（称为固有时间）0τ要比在相对于该惯性系以速度v 运动的其他惯性系测得的事件（称为非固有时间）τ短。两者之间的关系为

0τγτ= （5-4）

（3）长度收缩效应（空间间隔的相对性）运动物体沿运动方向的长度（称为非固有长度）l 要比相对与物体静止的观测者测得的棒长（称为固有长度）0l ，两者之间的关系为

10l l γ-= （5-5）

4、经典时空观与狭义相对论时空观的比较

牛顿力学时空观认为，自然界存在着与物质运动无关的绝对空间和时间，空间和时间是彼此孤立的。同时性，时间间隔和长度都是绝对的。狭义相对论时空观认为，不存在绝对的空间和时间，时间和空间不是彼此孤立，时间和空间的量度都与物体的运动密切有关。

当运动物体的速率远小于光速时，相对论效应可以忽略。此时，狭义相对论的时空观与牛顿力学的时空观结论一致。或者说，牛顿力学的时空观是狭义相对论时空观在低速（与光速相比）情况下的特例。

5、狭义相对论动力学的几个结论

（1）质量与速度的关系

0m m γ== （5-6）

式中，0m 是物体相对于观察者静止时的质量，称为静质量。质速关系表明质量与物质的运动状态有关，物体的质量m 随物体相对于该惯性系的速度v 的增大而增大；物体运动的速度越大，质量也越大，即惯性也越大，光速是物体运动速度的极限。

（2）质量与能量的关系

222

0k E mc m c E ==

=+ （5-6）

式中 200E m c =

称为静能

220k E mc m c =- （5-7）

称为动能。当v c <<时，亦即牛顿力学范围内，上式过渡到经典力学的质能公式2012

k E m v =。 当物体的总能量发生变化时，必将伴随着相应的质量变化，反之亦然，其关系为

2()E m c ?=? （5-8）

（3）相对论动量与能量关系

2222222400E p c E p c m c =+=+ （5-9）

当v c <<时，粒子的动能k E 比静能20m c 要小得多，相对论中动能与动量关系过渡到牛顿力学中的动能动量关系式。

2

2k p E m = 重点和难点分析

本章重点讨论狭义相对论的两个基本原理、狭义相对论的时空观以及狭义相对论的动力学问题。本章的难点在于对同时的相对性、长度收缩效应和时间膨胀效应的理解和应用。学习时，要注意怎样选择适当的坐标系，从物理实质上去理解固有长度（时间）与非固有长度（时间）之间的区别以及彼此之间的关系，然后进行问题分析。对于动力学部分，要在理解质速关系与质能关系的物理意义的基础上加以学习，而不是机械的记住相关的公式，同时，狭义相对论动力学与牛顿力学迥然不同的质能与质速关系并不矛盾，当在低速运动情况下，相对论动力学公式过渡到牛顿力学中的质能与质速公式。

1.如何正确理解狭义相对论的两个基本原理

十九世纪中叶，麦克斯韦建立了电磁场理论，并预言了以光速c 传播的电磁波的存在。到十九世纪末，实验完全证实了麦克斯韦理论。电磁波是什么？它的传播速度c 是对谁而言的呢？当时流行的看法是整个宇宙空间充满一种特殊物质叫做“以太”，电磁波是以太振动的传播。但人们发现，这是一个充满矛盾的理论。如果认为地球是在一个静止的以太中运动，那么根据速度迭加原理，在地球上沿不同方向传播的光的速度必定不一样，但是实验否定了这个结论。如果认为以太被地球带着走，又明显与天文学上的一些观测结果不符。

1887年迈克尔逊和莫雷利用光的干涉现象进行了非常精确的测量，仍没有发现地球有相对于以太的任何运动。对此，洛仑兹提出了一个假设，认为一切在以太中运动的物体都要沿运动方向收缩。由此他证明了，即使地球相对以太有运动，迈克尔逊也不可能发现它。爱因斯坦从完全不同的思路研究了这一问题。他指出，只要摒弃牛顿所确立的绝对空间和绝对

时间的概念，一切困难都可以解决，根本不需要什么以太。

在这种情况下，爱因斯坦提出了两条基本原理作为讨论运动物体光学现象的基础。第一个叫做相对性原理。它是说：如果坐标系'S 相对于坐标系S 作匀速运动而没有转动，则相对于这两个坐标系所做的任何物理实验，都不可能区分哪个是坐标系S ，哪个是坐标系'S 。第二个原理叫光速不变原理，它是说光（在真空中）的速度c 是恒定的，它不依赖于发光物体的运动速度。

2.如何正确理解狭义相对论的时空观

从表面上看，光速不变似乎与相对性原理冲突。因为按照经典力学速度的合成法则，对于'S 和S 这两个做相对匀速运动的坐标系，光速应该不一样。爱因斯坦认为，要承认这两个原理没有抵触，就必须重新分析时间与空间的物理概念。

经典力学中的速度合成法则实际依赖于如下两个假设：

1．两个事件发生的时间间隔与测量时间所用的钟的运动状态没有关系；

2．两点的空间距离与测量距离所用的尺的运动状态无关。

爱因斯坦发现，如果承认光速不变原理与相对性原理是相容的，那么这两条假设都必须摒弃。这时，对一个钟是同时发生的事件，对另一个钟不一定是同时的，同时性有了相对性。在两个有相对运动的坐标系中，测量两个特定点之间的距离得到的数值不再相等。距离也有了相对性。

如果设S 坐标系中一个事件可以用三个空间坐标,,x y z 和一个时间坐标t 来确定，而'S 坐标系中同一个事件由',','x y z 和't 来确定，则爱因斯坦发现，',','x y z 和't 可以通过一组方程由,,x y z 和t 求出来。两个坐标系的相对运动速度和光速c 是方程的唯一参数。这个方程最早是由洛仑兹得到的，所以称为洛仑兹变换。

利用洛仑兹变换很容易证明，钟会因为运动而变慢，尺在运动时要比静止时短，与同时的相对性一起，构成了狭义相对论时空观的核心内容。

（1）关于长度收缩效应的理解

在狭义相对论中，时空是彼此关联，所以长度收缩效应也是同时的相对性的必然结果。在测量运动物体长度时，需要注意的是，必须同时记录下来该物体两端在该静止参考系中的

坐标。在尺缩效应的公式中，β=c v ，公式L=L 021??

? ??-c v 可简写为l l =告诉我们，如果物体和观察者A 一起运动，并且沿着运动方向放置，那么A 测得它的长度将为L 0因为物体相对于A 是静止的，我们把观察者A 测得的长度L 0叫做静长度．．．

（即在相对于物体为静止的参考系中所测得的长度）。如果物体相对于观察者以速率v 沿长度方向运

动，那么这个观察者测得物体的长度为L02

-。换句话说，当一个参考系相对于某观

1β

察者以速率v运动时，这观察者将测得运动参考系中的物体在运动方向上以因子2

-缩

1β

短，即观察者测得的长度L=L02

-。要记住，只有当物体运动时，才出现这个效应。

1β

作为这个效应的简单例子，我们考虑一种假想情况，一个人和他的米尺在宇宙飞船中以接近于光速的速率经过地球上空。因为他和米尺同在飞船中，米尺相对于他当然是静止的。因此，不论米尺放在什么方向，他总能测得米尺的静长度。对于飞船中的人，米尺不存在收缩效应。然而，当飞船飞过地球时，如果米尺从其它方向转到平行于飞行方向，则地面上的人将测得米尺以因子2

-缩短了。

1β

在正确理解长度收缩效应时必须注意：

1.尺缩效应是相对的，假若两根完全一样长的细棒，一根放在'S系中，一根放在S中，则S的观测者会说'S的棒缩短了，而'S系的会说S系的棒缩短了。原因是观测者在测得的在各自所在的尺子的长度均为固有长度，而物体运动状态是个相对量，都认为对方的尺子在运动，所以缩短了。

2. S的观测者在观测到'S的细棒的尺缩效应时，不能仅仅限于细棒的缩短，而是'S的一切物体，包括'S系本身的空间属性，都在运动方向缩短了。

3.尺缩效应可以理解为是一种测量结果而不是一种视觉效果。这种收缩并非幻觉。当尺子从我们身边经过时，任何精确的试验都表明其长度比静止时要短。尺子并非看上去短了，它的确短了！

（2）关于时间膨胀效应的理解

时间膨胀效应是相对论的又一个重要结论。按照相对论的解释，这是因为物体的运动使时间变慢了。若在某惯性系中相继发生两个物理事件，则相对于该惯性系静止的时钟所测出的该两事件的时间间隔称为固有时间（原时）。而于另一运动惯性系中的钟所测出的同样上述两事件的时间间隔总是比固有时间长，是固有时间的γ倍。在一切时间测量中，原时最短。从相对事件发生地运动的惯性系中测量出的时间总比原时长，所以叫时间膨胀效应。每个惯性系中的观测者都会认为相对自己运动的钟比自己的钟走得慢，所以也叫动钟变慢。在理解动钟变慢效应时要注意：

1）运动是相对的，动钟变慢效应也是相对的。地面观察者看高速宇宙飞船上的钟慢，而高速宇宙飞船的观察者看地面上的钟也慢。

2）动钟变慢，这里说的“钟”是标准钟，与其他惯性系的钟放在一起应该走时一致，指针指示相同。动钟变慢不是钟出了问题，而是运动惯性系中的时间节奏变缓了。

3. 关于本章的相关变化与计算

本章的习题主要涉及如下类型：利用洛伦兹变换进行时空变换；利用时间膨胀和长度收缩公式进行相关计算；利用相对论动力学进行相关计算。计算时要注意：

（1）首先要弄清哪个是S 系，哪个是'S ，固有长度和非固有长度、固有时间和非固有

时间一定要分清。l l =中的l 只对同时测量成立；而0τγτ= 中的0τ只对同一地点

发生的事件成立。

（2）在相对论动力学中，动能212

k E mv =

公式失效，只能用220k E mc m c =-进行计算，小心混淆。

（3）在经典物理中能量守恒与质量守恒彼此独立，而在相对论中两者通过这两个定律联系起来，即在相对论中质量守恒与能量守恒是同时成立的。 例 题 分 析

【例5-1】 惯性系'S 相对另一惯性系S 沿x 轴作匀速直线运动，取两坐标原点重合时刻作为计时起点．在S 系中测得两事件的时空坐标分别为1x =6×104m,1t =2×10-4s ，以及2x =12×104m,2t =1×10-4s ．已知在'S 系中测得该两事件同时发生．试问：(1) 'S 系相对S 系的速度是多少? (2) S '系中测得的两事件的空间间隔是多少?

解 设S '相对S 的速度为v ，

(1) )(1211x c

v t t -='γ )(2222x c

v t t -='γ 由题意 012

='-'t t 则 )(12212x x c v t t -=

- 故 812122105.12

?-=-=--=c x x t t c v 1s m -? (2)由洛仑兹变换 )(),(222111

vt x x vt x x -='-='γγ 代入数值， m 102.54

12

?='-'x x 3-7 观测者甲乙分别静止于两个惯性参考系S 和S '中，甲测得在同一地点发生的两事件的时间间隔为 4s ，而乙测得这两个事件的时间间隔为 5s ．求：

(1) S '相对于S 的运动速度．

(2)乙测得这两个事件发生的地点间的距离．

解: 甲测得0,s 4==x t ??,乙测得s 5=t ?，坐标差为12

x x x '-'='?′ (1)∴ t c v t x c v t t ?-?=?+?='?2

2)(11)(λγ

54122='??=-t t c

v 解出 c c t t c v 5

3)54(1)(122=-='??-= 8108.1?= 1s m -?

(2) ()0,4

5,=?=?'?=?-?='?x t t t v x x γγ ∴ m 109345

3458?-=-=??-=-='c c t v x ?γ? 负号表示012

<'-'x x ． 【例5-3】 长度01l m =的米尺静止于'S 系中，与'x 轴的夹角'30θ=，'S 系相对S 系沿x 轴运动，在S 系中观测者测得米尺与x 轴夹角为45θ=． 试求：(1) 'S 系和S 系的相对运动速度.(2)S 系中测得的米尺长度．

解 (1)米尺相对S '静止，它在y x '',轴上的投影分别为：

m 866.0cos 0='='θL L x ，m 5.0sin 0='='θL L y

米尺相对S 沿x 方向运动，设速度为v ，对S 系中的观察者测得米尺在x 方向收缩，而y 方向的长度不变，即

y y x x L L c

v L L '=-'=,122

故 221tan c v L L L L L L x y x y x y

-''='==θ

把ο

45=θ及y x L L '',代入

则得 866.05.0122=-c v

故 c v 816.0=

(2)在S 系中测得米尺长度为m 707.045sin =?=y

L L

【例5-4】 两个惯性系中的观察者O 和O '以0.6c(c 表示真空中光速)的相对速度相互接近，如果O 测得两者的初始距离是20m ，则O '测得两者经过多少时间相遇?

解 O 测得相遇时间为t ?

c

v L t 6.0200==

? 测得的是固有时t '? ∴ v L t

t 2

01βγ-=?='?

s 1089.88-?=

6.0==c

v β 8

.01=γ 或者，O '测得长度收缩， v L t L L L L =

'?=-=-=,8.06.01102020β s 1089.810

36.0208.06.08.0880-?=???=='c L t ? c c v 5

42591=-= 【例5-5】 飞船A 以0.8c 的速度相对地球向正东飞行，飞船B 以0.6c 的速度相对地球向正西方向飞行．当两飞船即将相遇时A 飞船在自己的天窗处相隔2s 发射两颗信号弹．在B 飞

船的观测者测得两颗信号弹相隔的时间间隔为多少?

解: 取B 为S 系，地球为S '系，自西向东为x (x ')轴正向，

则A 对S '系的速度c v x 8.0='，S '系对S 系的速度为

c u 6.0=，则A 对S 系(B 船)的速度为 习题5-5图

c c c c

v u u v v x x x 946.048.016.08.012=++='++'= 发射弹是从A 的同一点发出，其时间间隔为固有时s 2='t ?，所以B 飞船中测得的时间间隔为：

s 17.6946.0121222=-=-'

=c v

t t x

??

J 1014.514-?=eV 1021.35?=

【例5-6】一电子在电场中从静止开始加速，试问它应通过多大的电势差才能使其质量增加0.4%?此时电子速度是多少?已知电子的静止质量为9.1×10-31kg ．

解 由质能关系 100

4.0200=?=?c m E m m ∴ 100/)103(101.94.0100

4.028312

0????==?-c m E J 10

28.316-?=＝eV 10

6.11028.31916--??= eV 100.23?= 所需电势差为3100.2?伏特

由质速公式有： 004.11100

4.01111100002=+=?+=?+==-m m m m m m m β ∴ 3222109

5.7)004

.11(1)(-?=-==c v β

故电子速度为 -17s m 107.2??==c v β

第12章 狭义相对论

一：填空 1、以速度v 相对于地球作匀速直线运动的恒星所发射的光子，其相对于地球的速度的大小为______． C 2. 狭义相对论中，一质点的质量m 与速度v 的关系式为______________；其动能的表达式为______________． () 201c v m m -= 202c m mc E k -= 3. 当粒子的动能等于它的静止能量时，它的运动速度为____________________ /2v = 4. 匀质细棒静止时的质量为m 0，长度为l 0，当它沿棒长方向作高速的匀速直线运动时，测得它的长为l ，那么，该棒的运动速度v ＝_________，该棒所具有的动能E k ＝_______________ 。 v =222000(/1)k E mc m c m c l l =-=- 5. 已知惯性系S ＇相对于惯性系S 系以 0.5 c 的匀速度沿x 轴的负方向运动，若从S ＇系的坐标原点O ＇沿x 轴正方向发出一光波，则S 系中测得此光波在真空中的波速为________ c 二：选择 1. 一火箭的固有长度为L ，相对于地面作匀速直线运动的速度为1v ，火箭上有一个人从火箭的后端向火箭前端上的一个靶子发射一颗相对于火箭的速度为2v 的子弹．在火箭上测得子弹从射出到击中靶的时间间隔是：(c 表示真空中光速) (A) 21v v +L ． (B) 2v L ． (C) 12v v -L ． (D) 211) /(1c L v v - ． B 2. 关于同时性的以下结论中，正确的是 (A) 在一惯性系同时发生的两个事件，在另一惯性系一定不同时发生． (B) 在一惯性系不同地点同时发生的两个事件，在另一惯性系一定同时发生．

大学物理学-狭义相对论教案

授课章节 第4章 狭义相对论 教学目的 1. 理解爱因斯坦狭义相对论的两条基本原理及洛伦兹坐标、速度变换式； 2. 掌握狭义相对论的时空观：即理解同时的相对性、长度的收缩和时间的膨胀，并能进行相关的计算； 3. 了解狭义相对论动力学的几个结论及其具体应用。 教学重点、难点 1. 正确地理解相对论的时空观； 2. 掌握洛伦兹变换的物理意义； 3. 理解长度收缩效应只发生在运动方向上； 4. 理解“时间膨胀”效应是指运动着的钟比静止的钟慢； 5. 在相对论动力学中，动能不能用 2 2 1mv 进行计算，只能用202c m mc E K -=进行计算； 6. 在经典物理中能量守恒律与质量守恒律彼此独立。而在相对论中通过质能关系式把两个定律统一起来了。即在相对论中能量守恒与质量守恒总是同时成立的。 教学内容 备注 第四章 狭义相对论 相对论研究的内容：研究物质的运动与空间、时间的联系。 狭义相对论：研究自然定律在所有惯性系中都表示为相同的形式（数学）问题。 广义相对论：研究自然定律在所有参照系中都表示为相同的形式（数学）问题。 §4.1 伽利略变换和经典力学时空观 一、伽利略变换 经典力学时空观 1、伽利略坐标变换方程： 如图，两个参照系的坐标轴互相平行，参照系S '相对于参照系S 沿x 轴的正方向以速度u 运动，时间0='=t t 时、两坐标系的原点o 和o '重合。则某一空— 时点的坐标变换方程为 t t z z y y ut x x ='='='-=' 或 t t z z y y t u x x ' ='='='+'= （1）

2、经典力学时空观 伽利略坐标变换方程已经对时间、空间性质作了两条假设：（1）t t '=， t t '?=?，即时间间隔与参考系的运动状态无关； （2）L L '?=?，即空间长度与参考系的运动状态无关。（同时测量棒两端点的坐标值），总之，时间和空间是彼此独立的，互不相关，并且不受物质和运动的影响，这就是经典力学的时空观，也称绝对时空观。 二、伽利略相对性原理 一切彼此作匀速直线运动的惯性系，对描述运动的力学规律来说是完全相同的。把（4-1）对时间求导一次，得 u v v x x -=' y y v v =' （2） z z v v =' 这就是伽利略速度变换法则。把（4-2）对时间再求导一次，得 x x a a =' y y a a =' （3） z z a a =' 上式说明在所有惯性系中，加速度是不变量。由于经典力学中质量和力也是与 参考系的选择无关的物理量，所以，牛顿第二定律在所有惯性系中都具有相同的数学表述： a F m = a F '='m 这就是说经典力学满足伽利略相对性原理。 §4.2 狭义相对论产生的实验基础和历史条件 一、经典电磁学的以太假说（人们过于相信绝对时空概念） 以太假说：以太是充满整个宇宙空间的弹性媒质，电磁波靠以太传播。以太中的带电粒子振动会引起以太变形，这种变形以弹性波的形式传播就是电磁波。在相对以太静止的参照系中，电磁波沿各个方向传播的速度都等于恒量c 。

狭义相对论_完整版_

《大学物理》作业 No.6 狭义相对论 班级 ________ 学号 _________ 姓名 _________ 成绩 _______ 一、选择题 1.按照狭义相对论的时空观，判断下列叙述中正确的是： [ ] （A ） 在一个惯性系中，两个同时的事件，在另一个惯性系中一定是同时事件 （B ） 在一个惯性系中，两个同时的事件，在另一个惯性系中一定是不同时事件 （C ） 在一个惯性系中，两个同时同地的事件，在另一个惯性系中一定是同时同地事件 （D ）在一个惯性系中，两个同时不同地的事件，在另一个惯性系中只可能同时不同地 （E ）在一个惯性系中，两个同时不同地的事件，在另一个惯性系中只可能同地不同时 2.在狭义相对论中，下列说法正确的是 [ ] ① 一切运动物体相对于观测者的速度都不能大于真空中的光速 ② 长度、质量、时间的测量结果都是随物体与观测者的相对运动状态而改变的 ③ 在一个相对静止的参考系中测得两事件的时间间隔是固有时 ④ 惯性系中的观测者观测一只与他做相对匀速直线运动的时钟时，会发现这只钟比与他静止的相同的钟走得慢些。 （A ）① ③ ④（B ）① ② ④（C ）① ② ③（D ）② ③ ④ 3． 在某地发生两件事，静止位于该地的甲测得时间间隔为4 s ，若相对于甲作匀速直线 运动的乙测得时间间隔为5 s ，则乙相对于甲的运动速度是(c 表示真空中光速) [ ] (A) (4/5) c ． (B) (3/5) c ． (C) (2/5) c ． (D) (1/5) c ． 4． 有一直尺固定在K ′系中，它与Ox ′轴的夹角θ′＝45°，如果K ′系以匀速度沿Ox 正方向相对于K 系运动，K 系中观察者测得该尺与Ox 轴的夹角 (A) 大于45° (B) 小于45° (C) 等于45° (D) 无法确定 [ ] *5. 一火箭的固有长度为L ，相对于地面作匀速直线运动的速度为v 1，火箭上有一个人从火箭的后端向火箭前端上的一个靶子发射一颗相对于火箭的速度为v 2的子弹． 在火箭参考系中测得子弹从射出到击中靶的时间间隔是： [ B ] 在地面参考系中测得子弹从射出到击中靶的时间间隔是：(c 表示真空中光速) [ C ] (A) 21v v +L ． (B) 2v L (C) 21212)/v (1c v c L v L -+ ． (D) 222) /v (1v c L - ．

狭义相对论推导详细计算过程

狭义相对论 狭义相对论基本原理： 1. 基本物理定律在所有惯性系中都保持相同形式的数学表达式，因此一切惯性系都是等价 的。 2. 在一切惯性系中，光在真空中的传播速率都等于c ，与光源的运动状态无关。 假设S 系和S ’系是两个相对作匀速运动的惯性坐标系，规定S ’系沿S 系的x 轴正方向以速度v 相对于S 系作匀速直线运动，x ’、y ’、z ’轴分别与x 、y 、z 轴平行，两惯性系原点重合时，原点处时钟都指示零点。 Ⅰ洛伦兹变换 现假设，x ’=k(x-vt)①，k 是比例系数，可保证变化是线性的，相应地，S ’系的坐标变换为S 系，有x=k(x ’+vt) ②，另有y ’=y ，z ’=z 。将①代入②： x=k[k(x-vt)+vt ’] x=k^2*(x-vt)+kvt ’ t ’=kt+(1-k^2)x/kv 两原点重合时，有t=t ’=0，此时在共同原点发射一光脉冲，在S 系，x=ct ，在S ’系，x ’=ct ’，将两式代入①和②： ct ’=k(c-v)t 得 ct ’=kct-kvt 即t ’=(kct-kvt)/c ct=k(c+v)t ’ 得 ct=kct ’+kvt ’ 两式联立消去t 和t ’ ct=k(kct-kvt)+kv(kct-kvt)/c ct=k^2ct-k^2vt+k^2vt-k^2v^2t/c c^2=k^2c^2-k^2v^2 k= 2 2 /11c v - 将k 代入各式即为洛伦兹变换： x ’=2 2 /1c v vt x -- y ’=y z ’=z t ’= 2 2 2/1/c v c vx t -- 或有 x=k(x ’+vt ’) x ’=k(x-vt) =k(1+v/c)x ’ =k(1-v/c)x 两式联立， x ’=k(1-v/c)k(1+v/c)x ’ k= 2 2 /11c v - Ⅱ同时的相对性

大学物理 狭义相对论 习题及答案

第5章 狭义相对论 习题及答案 1. 牛顿力学的时空观与相对论的时空观的根本区别是什么？二者有何联系？ 答：牛顿力学的时空观认为自然界存在着与物质运动无关的绝对空间和时间，这种空间和时间是彼此孤立的；狭义相对论的时空观认为自然界时间和空间的量度具有相对性，时间和空间的概念具有不可分割性，而且它们都与物质运动密切相关。在远小于光速的低速情况下，狭义相对论的时空观与牛顿力学的时空观趋于一致。 2. 狭义相对论的两个基本原理是什么？ 答：狭义相对论的两个基本原理是： （1）相对性原理 在所有惯性系中，物理定律都具有相同形式；（2）光速不变原理 在所有惯性系中，光在真空中的传播速度均为c ,与光源运动与否无关。 3．你是否认为在相对论中，一切都是相对的？有没有绝对性的方面？有那些方面？举例说明。 解 在相对论中，不是一切都是相对的，也有绝对性存在的方面。如，光相对于所有惯性系其速率是不变的，即是绝对的；又如，力学规律，如动量守恒定律、能量守恒定律等在所有惯性系中都是成立的，即相对于不同的惯性系力学规律不会有所不同，此也是绝对的；还有，对同时同地的两事件同时具有绝对性等。 4．设'S 系相对S 系以速度u 沿着x 正方向运动，今有两事件对S 系来说是同时发生的，问在以下两种情况中，它们对'S 系是否同时发生？ （1）两事件发生于S 系的同一地点； （2）两事件发生于S 系的不同地点。 解 由洛伦兹变化2()v t t x c γ'?=?-?知，第一种情况，0x ?=，0t ?=，故'S 系中0t '?=，即两事件同时发生；第二种情况，0x ?≠，0t ?=，故'S 系中0t '?≠，两事件不同时发生。 5-5 飞船A 中的观察者测得飞船B 正以0.4c 的速率尾随而来，一地面站测得飞船A 的速率为0.5c ，求： （1）地面站测得飞船B 的速率； （2）飞船B 测得飞船A 的速率。 解 选地面为S 系，飞船A 为S '系。 （1）'0.4,0.5x v c u c ==，2'3 41'x x x v u v c v v c += =+ （2）'0.4BA AB x v v v c =-=-=- 5.6 惯性系S ′相对另一惯性系S 沿x 轴作匀速直线运动，取两坐标原点重合时刻作为计时起点．在S 系中测得两事件的时空坐标分别为1x =6×104 m,1t =2×10-4 s ，以及2x =12×104 m,2t =1× 10-4 s ．已知在S ′系中测得该两事件同时发生．试问： (1)S ′系相对S 系的速度是多少? (2) S '系中测得的两事件的空间间隔是多少? 解: 设)(S '相对S 的速度为v ， (1) )(12 11 x c v t t -='γ

狭义相对论尺缩效应的数学推导

狭义相对论之尺缩效应高中数学推导 1首先依据光速不变原理，假设垂直光子钟，在相对于地面以V 速度匀速运行的火车上相对于火车垂直上下运动，推导出钟慢效应公式 22 1C V t T -= 此处T 表示相对运动坐标系观察的时间（数值大） t 表示在相对运动物体静止的时钟观察到的时间（数值小）。 2 假设在该火车上有人自车尾部使用激光测距朝列车运行方向照射测量火车长度，则火车上 人测量的距离 2ct l = ，而地面上的人观察到的测量过程为光子在某一时刻自火车后面追击火车头，飞向前方，列车运行t1时刻后，追上列车头反射，间隔t2时间长度与相向而行的火车尾部的观测仪器相遇。 T t t ct vt L ct vt L =++==+212 21 1 L cT t t 221≠> 由此必须使用时间这唯一能沟通两个参照系的量来测算距离 22 212112,2//c v t T c l t ct l V C L V C L t t T V C L t V C L t -===++-= +=+=-=

22 212112,2//c v t T c l t ct l V C L V C L t t T V C L t V C L t -===++-=+=+=-= 最后三个公式可形成等式 2222221212c v c l c v t V C LC V C L V C L T -=-=-=++-= 22 2222222222222222 22221, 1,11,1, 1,1c v l L l c v L c v l C V L c v l C V C L c v l V C LC V v c C c v c l V C LC -==--=--=--=-==-=- 由此可知 运动物体在空间中所占有的的长度 在运动方向上会减少，数值为静止坐标系下

大学物理狭义相对论习题及答案

第5章 狭义相对论 习题及答案 1. 牛顿力学的时空观与相对论的时空观的根本区别是什么？二者有何联系？ 答：牛顿力学的时空观认为自然界存在着与物质运动无关的绝对空间和时间，这种空间和时间是彼此孤立的；狭义相对论的时空观认为自然界时间和空间的量度具有相对性，时间和空间的概念具有不可分割性，而且它们都与物质运动密切相关。在远小于光速的低速情况下，狭义相对论的时空观与牛顿力学的时空观趋于一致。 2.狭义相对论的两个基本原理是什么？ 答：狭义相对论的两个基本原理是： （1）相对性原理 在所有惯性系中，物理定律都具有相同形式；（2）光速不变原理 在所有惯性系中，光在真空中的传播速度均为c ,与光源运动与否无关。 3．你是否认为在相对论中，一切都是相对的？有没有绝对性的方面？有那些方面？举例说明。 解 在相对论中，不是一切都是相对的，也有绝对性存在的方面。如，光相对于所有惯性系其速率是不变的，即是绝对的；又如，力学规律，如动量守恒定律、能量守恒定律等在所有惯性系中都是成立的，即相对于不同的惯性系力学规律不会有所不同，此也是绝对的；还有，对同时同地的两事件同时具有绝对性等。 4．设'S 系相对S 系以速度u 沿着x 正方向运动，今有两事件对S 系来说是同时发生的，问在以下两种情况中，它们对'S 系是否同时发生？ （1）两事件发生于S 系的同一地点； （2）两事件发生于S 系的不同地点。 解 由洛伦兹变化2()v t t x c γ'?=?- ?知，第一种情况，0x ?=，0t ?=，故'S 系中0t '?=，即两事件同时发生；第二种情况，0x ?≠，0t ?=，故'S 系中0t '?≠，两事件不同时发生。 5-5 飞船A 中的观察者测得飞船B 正以0.4c 的速率尾随而来，一地面站测得飞船A 的速率为0.5c ，求： （1）地面站测得飞船B 的速率； （2）飞船B 测得飞船A 的速率。 解 选地面为S 系，飞船A 为S '系。 （1）'0.4,0.5x v c u c ==，2'341'x x x v u v c v v c +==+ （2）'0.4BA AB x v v v c =-=-=- 5.6 惯性系S ′相对另一惯性系S 沿x 轴作匀速直线运动，取两坐标原点重合时刻作为计时起点．在S 系中测得两事件的时空坐标分别为1x =6×104m,1t =2×10-4s ，以及2x =12×104 m,2t =1×10-4 s ．已知在S ′系中测得该两事件同时发生．试问： (1)S ′系相对S 系的速度是多少? (2)S '系中测得的两事件的空间间隔是多少? 解: 设)(S '相对S 的速度为v ， (1) )(12 11x c v t t -='γ

狭义相对论公式及证明

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

狭义相对论中加速度a与力f的关系

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。

大学物理 上册(第五版)重点总结归纳及试题详解第十五章 狭义相对论基础

第十五章狭义相对论基础 一、基本要求 1. 理解爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设。 2. 了解洛仑兹变换及其与伽利略变换的关系；掌握狭义相对论中同时的相对性，以及长度收缩和时间膨胀的概念，并能正确进行计算。 3. 了解相对论时空观与绝对时空观的根本区别。 4. 理解狭义相对论中质量和速度的关系，质量和动量、动能和能量的关系，并能分析计算一些简单问题。 二、基本内容 1.牛顿时空观 牛顿力学的时空观认为，物体运动虽然在时间和空间中进行，但时间的流逝和空间的性质与物体的运动彼此没有任何联系。按牛顿的说法是“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何外界对象无关地流逝着。”以上就构成了牛顿的绝对时空观，即长度和时间的测量与参照系无关。 2．力学相对性原理 所有惯性系中力学规律都相同，这就是力学相对性原理（也称伽利略相对性原理）。力学相对性原理也可表述为：在一惯性系中不可能通过力学实验来确定该惯性系相对于其他惯性系的运动。 3. 狭义相对论的两条基本原理 （1）爱因斯坦相对性原理：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。 爱因斯坦相对论原理是伽利略相对性原理（或力学相对性原理）的推广，它使相对性原理不仅适用于力学现象，而且适用于所有物理现象。 （2）光速不变原理：在任何惯性系中，光在真空中的速度都相等。 光速不变原理是当时的重大发现，它直接否定了伽利略变换。按伽利略变换，光速是与观察者和光源之间的相对运动有关的。这一原理是非常重要的。没有光速不变原理，则爱因斯坦相对性原理也就不成立了。

狭义相对论几个公式公式推导

狭义相对论几个公式公式推导 省永春县东关中心小学 金江 运动物体的长度缩率公式和不同点上的时刻公式推导 爱因斯坦曾假设：“在真空中，光的传播速度相对任何参照系都一样：不论发光体的运动速度如何，也不论光接受体的运动速度如何，光波相对它们的传播速度都是一样的。”否则，我们观察到遥远的恒星（特别是双星）将会发生十分混乱的现象。 根据这个假设，可以推导出：运动方向上长度的缩率和另参照系看我参照系同时事件的情况的规律。 设在S 系中看到两条等长线段AB 和A ’B ’，它们分别在S 参照系和S ’参照系。S 和S ’相对运动速度为v 光秒/秒。并且在S 参照系看来：AB=A ’B ’=a 光秒。如图所示： 图1 设A 和A ’相遇时，A 和A ’会发出闪光，或B 和B ’相遇时，B 和B ’也会发出闪光。 V 光秒/秒 A （0秒） B （0秒） Q V 光秒/秒 A B Q S 系 秒） S’系 S 系

A （0秒） B （t 2 21c v 秒） 我们在S 系看来，由于AB=A ’B ’,所以A 和A ’与B 和B ’是同时相遇的，所以它们同时发出闪光。光波将在AB 中点Q 相遇，在S ’系中光波也必在相应点Q ’相遇（因为光波对S ’系的传播速度和S ’运动无关）。 由于Q ’点不在A ’B ’的中间，所以在S ’系看来，两次闪光不是同时的。因为B ’发出的光波走的距离B ’Q ’比A ’发出的光波走的距离A ’Q ’ 多。因而是B ’先闪光，A ’后闪光。也就是B 和B ’先相遇，A 和A ’后相遇。A ’和B ’的时刻在S ’系看来是不同时的，而是B ’早，A ’迟。 在S ’系中，由于A 、A ’和B 、B ’不同时相遇，所以S ’系看到的两条段AB 和A ’B ’也不相等。因为B 、B ’先相遇，所以必是A ’B ’>AB 。情况如图2所示： t 秒后 A （ 秒） B （0秒） V 光秒/秒 S’系 S 系 A ’（0 V 光秒/秒 A ’ B ’（t 秒） P ’

狭义相对论 -规律方法(word无答案)

狭义相对论 -规律方法(word无答案) 一、解答题 (★★) 1 . 静长同为三艘飞船，在惯性系S的时刻，相对S系的空间位置和沿x轴匀速度运动的速度分布如图所示。具体而言，三个飞船在S系中沿一直线航行，时刻，飞船1，2，3头部各自位于图示，，位置，飞船1，2，3分别将自己头部时钟拨到本系内的 时间零点。（注意，S系认为飞船1，2，3头部时钟同时拨到零点，但飞船1，2，3并不认为它 们彼此也是同时将各自头部时钟拨到零点）设此时，即S系时刻，飞船1头部天线朝右 发出无线电信号；在飞船2参考系中此信号被其尾部天线接收的同时，恰好其头部天线朝右发 出无线电信号；在飞船3参考系中此信号被其尾部天线接收的时刻记为，试求之。 (★★) 2 . 一块厚玻璃以速率v向右运动。在A点有闪光灯，它发出的光通过厚玻璃后到达B点，如图所示。已知A、B之间的距离为L，玻璃在其静止的坐标系中的厚度为，玻璃的折射率 为n。试问，光从A点传播到B点需多少时间？ (★★) 3 . 惯性系相对于S以v向右运动，在惯性系中有一与x轴夹角为边长L的正 方形ABCD，如图所示，现有一粒子初速度为0，并以加速度在轨道ABCD中运动，试问： (1) ，时于系中，分别为多少？ (2)在S系中测得、分别为多少？ (★★) 4 . 如图所示，一单色点光源在相对其静止的惯性系中各向同性地辐射光能量，其发 光强度（单位立体角内的光辐射功率）为。当该点光源相对惯性系中的观察者以匀速度v运 动时，P测得发光强度I会随观察方位而变。将观察方向与点光源运动方向之间的夹角用表

示，试求I随变化的函数。 (★) 5 . 封闭的车厢中有一点光源S，在距光源l（车厢参考系）处有一半径为r的圆孔，其圆心为，光源一直在发光，并通过圆孔射出。车厢以高速v沿固定在水平地面上的x轴正方向 匀速运动，如图所示。某一时刻，点光源S恰位于x轴的原点O的正上方，取此时刻作为车厢 参考系与地面参考系的时间零点。在地面参考系中坐标为处放一半径为的不透 光的圆形挡板，板面与圆孔所在的平面都与x轴垂直。板的圆心、S、都等高，起始时 刻经圆孔射出的光束会有部分从挡板周围射到挡板后面的大屏幕（图中未画出）上。由于车厢 在运动，将会出现挡板将光束完全遮住，即没有光射到屏上的情况。不考虑光的衍射。试求： (1)车厢参考系中（所测出的）刚出现这种情况的时刻。 (2)地面参考系中（所测出的）刚出现这种情况的时刻。 (★★) 6 . 两惯性系与S初始时刻完全重合，前者相对后者沿z轴正向以速度v高速运动。 作为光源的自由质点静止于系中，以恒定功率P向四周辐射（各向同性）光子。在S系中 观察，辐射偏向于光源前部（即所谓的前灯效应）。 (1)在S系中观察，系中向前的那一半辐射将集中于光源前部以x轴为轴线的圆锥内。求该 圆锥的半顶角。已知相对论速度变换关系为。式中与分别为S与 系中测得的速度x分量，c为光速。 (2)求S系中测得的单位时间内光源辐射的全部光子的总动量与总能量。 (★★) 7 . 如图所示，在某恒星参考系S中，飞船A和飞船B以相同速率（c为真空中的光 速）做匀速直线运动。飞船A的运动方向与方向一致，而飞船B的运动方向与方向一致，两飞船轨迹之间的垂直距离为d。当A和B靠得最近时，从A向B发出一细束无线电联络 信号。试问： (1)为使B能接收到信号，A中的宇航员认为发射信号的方向应与自己的运动方向之间成什么角？ (2)飞船B接收到信号时，B中的宇航员认为自己与飞船A相距多少？ (★) 8 . 设系相对于S系的速度V并不平行于x轴，时，x与轴，y与轴，

解释相对论

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

《狭义相对论》

3狭义相对论 3.1狭义相对论基本假设 1. 有下列几种说法： (1) 所有惯性系对物理基本规律都是等价的． (2) 在真空中，光的速度与光的频率、光源的运动状态无关． (3)在任何惯性系中，光在真空中沿任何方向的传播速率都相同． 若问其中哪些说法是正确的, 答案是 (A) 只有(1)、(2)是正确的． (B) 只有(1)、(3)是正确的． (C) 只有(2)、(3)是正确的． (D) 三种说法都是正确的． 答案：(D) 参考解答： 光速不变原理和相对性原理是爱因斯坦在创立狭义相对论时提出的两大基本假设。光速不变原理：在真空中的任何惯性参考系上，光沿任意方向的传播速度都是C；相对性原理：所有物理规律在所有不同惯性参考系中的形式都相同。 所有选择，均给出参考解答，进入下一题。 3.2狭义相对论时空观 1. 在狭义相对论中，下列说法中哪些是正确的？ (1) 一切运动物体相对于观察者的速度都不能大于真空中的光速． (2) 质量、长度、时间的测量结果都是随物体与观察者的相对运动状态而改变的． (3) 在一惯性系中发生于同一时刻，不同地点的两个事件在其他一切惯性系中也是同时发生的． (4)惯性系中的观察者观察一个与他作匀速相对运动的时钟时，会看到这时钟比与他相对静止的相同的时钟走得慢些． (A) (1)，(3)，(4)．(B) (1)，(2)，(4)． (C) (1)，(2)，(3)．(D) (2)，(3)，(4)． 答案：(B) 参考解答： 在狭义相对论中，根据洛仑兹变换物体运动速度有上限，即不能大于真空中的光速；质量、长度、时间都是相对的，其测量结果取决于物体与观察者的相对运动状态，有动尺收缩和运钟膨胀的相对论效应。 对于所有选择，均给出以下思考题。 1.1相对论的时间和空间概念与牛顿力学的有何不同？有何联系？ 参考解答： 牛顿力学时空观的基本观点是，长度和时间的测量与运动（或说与参考系）无关；而相对论时空观的基本观点是，长度和时间的测量不仅与运动有关，还与物质分布有关。 牛顿力学时空概念是相对论时空观在低速（即运动速度远远小于光速）时的

狭义相对论基础习题解答

狭义相对论基础习题解答 一 选择题 1. 判断下面几种说法是否正确 ( ) (1) 所有惯性系对物理定律都是等价的。 (2) 在真空中，光速与光的频率和光源的运动无关。 (3) 在任何惯性系中，光在真空中沿任何方向传播的速度都相同。 A. 只有 (1) (2) 正确 B. 只有 (1) (3) 正确 C. 只有 (2) (3) 正确 D. 三种说法都正确 解：答案选D 。 2. (1)对某观察者来说，发生在某惯性系中同一地点、同一时刻的两个事件，对于相对该惯性系作匀速直线运动的其它惯性系中的观察者来说，它们是否同时发生？ (2)在某惯性系中发生于同一时刻、不同地点的两个事件，它们在其它惯性系中是否同时发生？ 关于上述两个问题的正确答案是：( ) A. (1) 同时， (2) 不同时 B. (1) 不同时， (2) 同时 C. (1) 同时， (2) 同时 D. (1) 不同时， (2) 不同时 解：答案选A 。 3．在狭义相对论中，下列说法中哪些是正确的？( ) （1） 一切运动物体相对于观察者的速度都不能大于真空中的光速. （2） 质量、长度、时间的测量结果都随物体与观察者的相对运动状态而改变 （3） 在一惯性系中发生于同一时刻，不同地点的两个事件在其他一切惯性系中也是同时发生的. （4） 惯性系中的观察者观察一个与他作匀速相对运动的时钟时，会看到这时钟比与他相对静止的相同的时钟走得慢些。 A. (1)，(3)，(4) B. (1)，(2)，(4) C. (1)，(2)，(3) D. (2)，(3)，(4) 解：同时是相对的。 答案选B 。 4. 一宇宙飞船相对地球以0.8c 的速度飞行，一光脉冲从船尾传到船头。飞船上的观察者测得飞船长为90m ，地球上的观察者测得光脉冲从船尾发出和到达船头两个事件的空间间隔为 ( ) A. 90m B. 54m C. 270m D. 150m 解： ?x ′=90m, u =0.8 c , 87 90/(310)310s t -'?=?=?

对狭义相对论中洛伦兹变换的误解及根源探究

对狭义相对论中洛伦兹变换的误解及根源探究 陈宗兵唐定彪 (云阳县凤鸣中学, 重庆云阳404502) 摘要：分析总结了人们对狭义相对论进行批判的一些论文、论著，发现这些论文、论著的重要论点都是对相对论的误解，主要包括对光速不变原理、洛伦兹变换以及“尺缩”、“钟慢”效应的误解。限于篇幅,本文只探究人们对洛伦兹变换的误解和产生误解的根源。 关键词：洛伦兹变换;误解; 根源探究 1 前言 狭义相对论创立至今已一百余年,早已成为“经典”的理论。但至创立以来,不断的有人对它进行批判或者”改进”。近几年,还有人在中国的一些著名刊物上发表了批判相对论的文章。认真研究后发现实际上是对相对论的误解。因此,在相对论创立100余年之际,对这些论文、论著进行研究，找出它们对相对论的误解并探究其根源应该是一项很有意义的工作。 2 对狭义相对论的种种误解 狭义相对论于1905年创立以来,一直有人对它提出质疑,并陆续写出论文、论著进行批判。本文作者归纳总结了误解狭义相对论的主要论点，以供同行们商榷。 文献[1]对狭义相对论的基本前提、逻辑推理和各项推论均持有异议,并提出了新的见解。其中,光速不变原理是批判的重点,“相对论虽然取得若干实验的支持，但其基本前提，有关光速的两条基本原则并没有得到充分的证明”，“相对论的基本前提—光速不变论缺乏可靠的论证”，“真空光速应该是光源机械速度和相对光源的速度c两部分组成的”。该文献作者还重新研究了迈克耳孙光速实验，“发现过去对这个实验所作的理论分析中均存在着一个显而易见的错误，纠正了这项错误就会知道这个实验所证明的只是光速在惯性系内是常量，并未能证明光速与源速无关。从这项实验根本得不到光速不变的结论”。另外，对狭义相对论的尺缩、钟慢效应也持怀疑态度，“尺缩、钟慢效应是洛伦兹变换的两个重要推论，在前面已经得出光速不变论的否定回答，根据光速不变得出的所有结论当然都是不可靠的”，“按照洛伦兹变换得到的结果，两个相对作等速直线运动的坐标系中，存在时间相互变慢的效应，这是一个无法解释的问题”。对时钟变慢这个概念也存在误解，“时钟变慢可能是时间变慢引起的，也可能是其它物理原因引起的，如果飞船上放置的不是原子钟，而是伽利略式的摆钟，由于高空的重力加速度小于地面的重力加速度，摆钟的摆动周期将加大”。 文献［2］提出关于“尺缩”、“钟慢”效应的相对论论证是虚假的，“在狭义相对论的逻辑概念中，根本不存在什么‘尺缩’、‘钟慢’效应”，“爱因斯坦从狭义相对论得出‘钟慢’效应是存在问题的；爱因斯坦‘尺缩’效应不是狭义相对论的科学内容”，“在狭义相对论的科学体系中，正确的结论理应是：物体对相对其静止的惯性系而言不存在收缩，对相对其运动的惯性系而言也不存在收缩”，并在文中提出必须从狭义相对论中摈弃爱因斯坦“尺缩”、“钟慢”效应。 文献［3］对洛伦兹变换式作了改写和简化，认为爱因斯坦错误的运用了洛伦兹变换式，“爱因斯坦在使用这个公式时完全忽略了导出这个公式的前提条件，这是一个重大的失误,也许这个失误是来自于洛伦兹本人。不管是谁的失误都没有理由把这个失误带进21世纪”。该文献作者考虑了洛伦兹变换成立的“前提条件”后，将洛伦兹变换的四个关系式简化成一个关系式,“由此可见经典的洛伦兹变换的前三个关系式根本就是多余的”。

狭义相对论新的延伸推导、纵质量、横质量

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

狭义相对论应用

第13讲：狭义相对论——应用 内容：§18－4，§18－5 1．狭义相对论的时空观（50分钟） 2．光的多普勒效应 3．狭义相对论动力学的几个结论（50分钟） 4．广义相对论简介 要求： 1．理解狭义相对论的时空观，包括同时性的相对性、长度的收缩与时 间的延缓 2．了解光的多普勒效应。 3．掌握狭义相对论动力学的几个结论，明确当物体运动速度V〈〈C时，相对论力学过渡到牛顿力学，牛顿力学仅适用于低速动动的物体。 4．了解广义相对论的意义。 重点与难点： 1．狭义相对论时空观的理解。 2．狭义相对论动力学的主要结论。 作业： 问题：P213：7，8，9，11 习题：P214：11，12，13，14 复习： ●伽俐略变换式牛顿的绝对时空观 ●迈克尔逊－莫雷实验 ●狭义相对论的基本原理

2 1111β -=，2 2221β -= 2 121β-= 21β -= 2 1β -'21β-'l 观察者与被测物体有相对运动时，长度的测量值等于其原长的21β-倍，即相对观察运动，则在运动方向上缩短，只有原长的21β-倍；??+2v ??+2v

()t t t t t t '?='-'=-=?γγ21/β-

，x x 1=，空间间隔为x x 1='() () 112 122 1212c v c v -= -=(() 2 21c v c --=(() (1222 c c v c =-=()c x x 342 12 12 12=???-??'-'-1033?=?=8103999.0??= =v ()2 1c v t -' ()22 999.011-?=-c v t 23c

狭义相对论(二)

狭义相对论（二）

二、相对论时空观 （相对论运动学） 这部分主要内容是：相对论长度收缩、相对论时钟延缓、同时相对性。这一切讨论的中心是Lorentz 变换。这表明，物质运动的时空属性被Lorentz 变换以确切的数学形式定量地描述出来了。从所得结果可认识到，狭义相对论对经典的时空观进行了一次十分深刻的变革。 1、相对论长度收缩 空间长度是Galileo 变换不变量，即：在由Galileo 变换所联系的惯性系中，对同一物体长度的测量值是一样的。按照狭义相对论原理，在Lorentz 变换下，同一物体在不同惯性系中度量的长度又怎样呢？下面就来讨论运动物体的长度发生收缩这个相对论效应。 设有两观察者从各自的惯性系S 和S'对一刚性棒的长度（0L ）进行测量。棒沿',x x 轴放置，并相对于S'系静止不动，那么S'系的观察者测得棒两端点的坐标为'1x 和'2x ，两次的测量时间'1t 和'2t 不要求同时，已知棒长为0L （固有长度），则有：''120x x L -=。对S 系的观察者，由于他相对于棒在运动，所以必须在同一时刻τ==21t t 测得该棒两端点的坐标21,x x ，他看到棒的长度12x x L -=，由Lorentz 变 换式1122'(),'()x x u x x u γτγτ=-=-，所以： )(''12120x x x x L -=-=γL γ= 或 γ0 L L = （1） （1）式表明：与棒有相对运动的观察者测得棒的长度L 要比与棒相对静止的观察者测得棒的长度要短一些，即长度的测量值与

被测物体相对于观察者的运动有关。 由于γ=，所以,,u L γ↑↑↓。 讨论：（1）固有长度最长——在由Lorentz 变换联系着的惯性系中，长度的测量值不再是不变的、绝对的了，它变成一个相对的物理量了。注意：不能把0L 理解成在S'参照系中测得的长度值。 若 棒相对于S 系静止，0L 则是S 系观察者测得的长度。 （2）相对论长度收缩只发生在运动方向上。在与运动方向垂直的方向上并不发生收缩。按Lorentz 变换，','z z y y ==。例：相对于一观察者原来是静止的正方形，当它以较高速度运动时，它仿佛是一个长方形。见下图： （3）相对论长度收缩效应是一种普遍的时空属性，就像惯性是物体的属性一样。与物体的具体组成和结构及物质具体的相互作用种类无关。任何人处在任何惯性系中，用该惯性系的空间坐标来量度，结果都一样。 （4）在相对论中，物体长度的比较在一定意义上是相对的。 例：有两根完全相同的标准米尺（即当它们相对静止时所有刻度线完全对齐）令A 、B 尺平行，A 尺相对B 尺沿直尺长度方向以匀速c 6.0运动，问：（1）从与B 尺固连的S 系看，哪根尺长？（2）从与A 尺固连的S'系看，哪根尺长？ c 6.0u =