第12讲狭义相对论的时空观

4.3 狭义相对论的时空观

4.3.1 同时的相对性

光速相对于所有惯性系中的观测者以不变的速率传播，其惊人的结果是:时间一定是相对的。

1 “同时”的定义

设A 、B 两处发生两个事件，在事件发生的同时，发出两光信号，若在A 、B 的中心点同时收到两光信号，则A 、B 两事件是同时发生的。这就是用光前进的路程来测量时间，而这样定义的理由就是光速不变，这样的定义适用于一切惯性系。 2 爱因斯坦理想的 “火车对钟实验”

设有一列火车相对于站台以匀速向右运动，站台上的观测者测得当列车的首尾两点与站台上的A ，B 两点重合时，站台上的A ，B 两点同时发出一个闪光，所谓“同时”，就是两闪光同时传到站台上的中心点C 。但对于列车来说，由于它向右行驶，车上的中点先接到来自车头方（即站台上的A 点）的闪光，后接到来自车尾方（即站台的B 点）的闪光。于是对于列车上中点的观察者来说，A 点的闪光早于B 点。就是说，对于站台参照系是同时的事件，对于列车参照系就不是同时的，即事件的同时性是相对的。

在一个惯性系中的两个同时事件，在另一个惯性系中观测不是同时的，这是时空均匀性和光速不变原理的一个直接结果。 3 同时的相对性

设在惯性系S 中,在不同地点同时发生两事件,时空坐标分别为（x 1，0，0 ，t ）和（x 2，0，0，t ），则根据洛仑兹变换式（4-4a ），有

2221'11c u c ux t t --

=, 2222'21c u c ux t t --=，即()012

2122

'1'2≠---=

-c

u x x c u

t t 讨论 1 从上可知，在某一惯性系同时不同地发生的两个事件，在另一惯性系中观测则是不同时发生, 这就是狭义相对论的同时相对性。同时相对性的本质在于在狭义相对论中时间和空间是相互关联的。若u 沿x 轴正方向，且12x x ->0,则0'

1'

2<-t t ,可得出结论，沿

两个惯性系相对运动方向发生的两个事件,在其中一个惯性系中表现为同时的,在另一惯性系中观察,则总是在前一惯性系运动的后方那一事件先发生。

2 如果两个事件在S 系同一地点同时发生，12x x =，12t t =则

()0122122'1'2=---

=

-c u x x c u

t t ，()01)(2

21212'1'2=----=-c

u t t u x x x x 。

这说明在某一惯性系同一地点同时发生的两事件，在其它惯性系中进行测量，这两个事件仍是同时同地发生。

4.3.2 长度的相对性

一根细棒AB 静止于S '系中，并沿着Ox 轴放置，如图4-3所示。设在S '系中棒AB 两端点的坐标为x ′1、x ′2，则在S '系中测得该棒的长度为l 0= x ′2- x ′1，棒静止

时被测得的长度称为棒的固有长度，0l 即为棒的固有

长度。在S 系中测量棒AB 的长度，需同时测量棒AB 两端点的坐标为x 1、x 2，根据洛仑兹变换式（4-4a ），可得

2

2

11'11c u

ut x x --=

，2

2

22'

21c u ut x x --=

注意到21t t =

得

21l x x l =-= （4-7）

这表明，在S 系中的观察者看来，运动的物体在运动方向上的长度缩短了，这就是狭义相对论的长度收缩效应。

讨论 1 固有长度最长。

2 长度收缩效应纯粹是一种相对论效应；只发生在运动方向上；是相对的。即假设有两根完全一样的细棒,分别放在S 系和S '系,则S 系中的观测者说放在S '系中的棒缩短了,而S '系中的观测者认为自己这根棒长度没有变,而是S 系中的棒缩短了。原因在于物体的运动状态是个相对量。

图4-3 长度收缩效应 S

S ′

3 长度收缩效应是测量出来的。在相对论时空观中，测量效应和眼睛看到的效应是不同的。人们用眼睛看物体时，看到的是由物体上各点发出的同时到达视网膜的那些光信号所形成的图像。当物体高速运动时，由于光速有限，同时到达视网膜的光信号是由物体上各点不同时刻发出的，物体上远端发出光信号的时刻比近端发出光信号的时刻要早一些。因此人们眼睛看到的物体形状一般是发生了光学畸变的图像。

4 当c u <<式（4-7）变成0l l =，这就回到了经典力学的绝对空间观。

问题 4-5 在推导式（4-7）时，我们假定棒是静止在S '系中的，如果假定棒是静止在S 系中的，且固有长度仍用0l 表示，在S '系中测得棒的长度为l ，再推导式（4-7）。

问题4-6 长度的量度和同时性有什么关系？为什么长度的量度会和参考系有关？长度收缩效应是否因为棒的长度受到了实际的压缩？

例4-3长度0l =1 m 的米尺静止于S '系中，与x ′

轴的夹角'θ= 30°，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=θ

45?． 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 2

2

1tan c v

L L L L L L x

y x

y x

y -''=

'=

=

θ

把ο45=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

4.3.3 时间间隔的相对性

设静止在S '系中的观察者记录到发生在S '系中某固定点x ′一个事件持续时间，用固定在S '系中的时钟来测量，例如一个火炬燃烧的时间：τ0= t ′2- t ′1，这种在某一惯性系中同一地点先后发生的两个事件之间的时间间隔叫固有时，0τ就是固有时。在S 系中，这两事件的时空坐标分别是(x 1,t 1)，(x 2,t 2)，显然x 1≠x 2，t 1和t 2是S 系中两个同步时钟（两校准的钟）上的读数。根据洛仑兹变换式（4-4a ）可得

22'2'111c u x c u t t -+

=

, 2

2'2'

22

1c

u x c u t t -+=

两式相减，得

21t t τ=-=

（4-8）

式（4-8）表明,

τ＞0τ，表示时间膨胀了，或在S ′系发生在同一地点的两个事件，

在S 系中测得两事件的时间间隔比S ′系测得的时间间隔（即固有时）要长。换句话说，S 系中的观测者发现S ′系中的钟（即运动的钟）变慢了。这就是时间延缓效应，也称时间膨胀。这种效应是相对的。

讨论 1 在不同惯性系中测量一个过程从发生到结束的时间间隔，固有时最短。 2 当c u <<，式（4-8）变为,0ττ=这就回到了经典力学的绝对时间观。

综上所述，狭义相对论指出了时间和空间的量度与参考系的选择有关。时间与空间是相互联系的，并与物质有着不可分割的联系。不存在孤立的时间，也不存在孤立的空间。时间、空间与运动三者之间的紧密联系，深刻反映了时空的性质。

问题4-7 什么叫固有时？为什么固有时最短？

问题4-8 有一枚相对于地球以接近于光速飞行的宇宙火箭，在地球上的观察者将测得火箭上的物体长度缩短，过程的时间延长，有人因此得出结论说：火箭上观察者将测得地球上的物体比火箭上同类物体更

长，而同一过程的时间缩短。这个结论对吗？

问题4-9 狭义相对论的时间和空间概念与牛顿力学的时间和空间概念有何不同？有何联系？ 例4-4 半人马星座α星是离太阳系最近的恒星，它距地球164.310m s =?。设有一宇宙飞船自地球往返于半人马座α星之间。若宇宙飞船的速率是c 999.0=υ，（1）若按地球上时钟计算，飞船往返一次需多少时间？（2） 若以飞船上时钟计算，往返一次又为多少时间？

解 （1） 由于题中恒星与地球的距离和宇宙飞船的速度均是地球上观察者所测量的，故飞船往返一次，地球时钟所测时间间隔

82 2.8710s 9.1s

τυ

=

=?≈年

（2） 把飞船离开地球和回到地球视为两个事件，显然飞船上的时钟所测得的时间间隔是固有时，所以以飞船上的时钟计算

70 1.2810s 0.407τ=?≈年

4.3.4 因果关系

在相对论中,一个空时点(),,,x y z t 表示一个事件,不同的事件空时点不相同。两个存在因果关系的事件，必定原因（设时刻1t ）在先，结果（设时刻2t ）在后，即210t t t ?=->。那么是否对所有的惯性系都如此呢？结论是肯定的。所谓的,A B 两个事件有因果关系，就是说B 事件是A 事件引起的。例如，在某处的枪中发出子弹算作A 事件，在另一处的靶上被此子弹击穿一个洞算作B 事件，这B 事件当然是A 事件引起的。又例如在地面上某处雷达站发出一雷达波算作A 事件，在某人造地球卫星上接收到此雷达波算作B 事件，这B 事件也是A 事件引起的。一般地说，两个有因果关系的事件必须通过某种物质或信息相联系，例如上面例子中的子弹或无线电波。这种“信号”在时间21t t t ?=-内从1x 传到2x ，因而传递的速度为 21

21

x x t t υ-=

- 这个速度称为“信号速度”。由于信号实际上是某种物质或信息，因而信号速度总不能大于光速。当在其他惯性系中观测，由洛仑兹变换有

212212

12

21()1u

x x x x u t t c t t -??

-''-==-?-?

21u c υ?=

-?? 由于,u c c υ<≤，所以2u c υ总小于1。这样()2

1t t ''-总与()21t t -同号。这就是说，时序不会颠倒，即因果关系不会颠倒。

如果是两个没有因果关系的事件，则可以有

21

21

x x c t t ->- ，因为其并不是某种物质或信

息传递的速度。在另一个惯性系中观测，时序可以颠倒。本来就是无因果关系的事件，不存在因果关系颠倒的问题。

问题4-10 地面上的射击运动员，在1t 时刻扣动扳机射击一粒子弹，2t 时刻()12t t >子弹击中靶子，那

么在相对地球以速度u 运动的宇宙飞船上的观测者看来，是否仍有'1'2t t >，会不会反过来，'1'

2t t <，即子弹

先击中靶子，而后才出膛？

4.4 狭义相对论动力学基础

经典力学中的物理定律在洛仑兹变换下不再保持不变，因此，一系列的物理学概念，如动量、质量、能量等必须在相对论中重新定义，使相对论力学中的力学定律具有对洛仑兹变换的不变性，同时当物体的运动的速度远小于光速时，它们必须还原为经典力学的形式。

4.4.1 动量、质量与速度的关系

在相对论中定义一个质点的动量p 为 p mu =

其中速度为u 、质点质量为m ，不过动量在数量上不一定与u 成线性的正比关系，因为m 不再是常数，可以假定m 是速度u 的函数。由于空间各向同性，m 只与速度u 的大小有关，而与方向无关，即

()m m u =

下面考察两个全同粒子的完全非弹性碰撞过程.如图4-4所示，A 、B 两个全同粒子正碰后结合成为一个复合粒子。从S 和S ′两个惯性系来讨论：在S 系中粒子B 静止，粒子A 的速度为u ，它们的质量分别为0B m m =，这里0m 是静止质量，()A m m u =，()m u 称为运

动质量。在S ′系中粒子A 静止，粒子B 的速度为-u ，它们的质量分别为0A m m =，

图4-4 两个全同粒子的完全非弹性碰撞

()B m m u =，显然，S ′系相对于S 的速率为u 。设碰撞后复合粒子在S 的速率为为υ，质

量为()M v ；在S ′的速率为为υ'，由对称性可知υ'=-υ，故复合粒子的质量仍为()M v ；根据守恒定律，有

质量守恒 ()()0m u m M v += 动量守恒 ()()m u u M v v =

由此两式消去()M v ，解得 （4-9）

另一方面，由速度变换式有

解得

代入式（4-9），则有

（4-10）

即在狭义相对论中，质量m 是与质点的速率u 有关的，称为相对论性质量，而m 0则是质点相对惯性系静止时的质量，称为静质量。式（4-10）称为相对论质速关系。

01()m u

m u +

=

v '2

1u

u c

-=-=

-v v v v

222

11()2()()0u u u u u

c c

∴-=--+=v v v v 1u =±v 1u u <=v v ()m u =

则动量的表达式为：

p =

（4-11）

从式（4-10）与（4-11）可知，当质点的速度远小于光速，即u c <<，相对论性动量0p m u ≈与牛顿力学动量表达式相同,相对论质量0m m ≈,可以认为质点的质量为一常量。这表明在

u c <<的情况下，牛顿力学仍然是适用的。 4.4.2 质量和能量的关系

在相对论中把力定义为动量对时间的变化率，即 dp

F dt

=

（4-12） 这里p 是式（4-11）相对论动量。式（4-12）所表示的力学规律，对不同的惯性系，在洛仑兹变换下是不变的，但是，要说明的是质量和速度u 在不同惯性系中是不同的，所以相对论中力F 在不同惯性系中也是不同的，它们都不是恒量，不同惯性系之间有其相应的变换关系，这一点与经典力学不同。

在相对论中，功能关系仍具有牛顿力学中的形式。设静止质量为m 0的质点，初始静止，在外力作用下，位移d s ，获得速度u ，质点动能的增量等于外力所作的功，即

将式（4-12）代入上式得

又有

则解出

将m ，d u 的关系式代入d E k 式，并化简得到 d d d k E F s F u t

=?=?2

d d()(d )(d )d d k E mu u m u u m u u u m mu u =?=?+?=

+()m u =

022

3/22d d (1)

m u u m u c c

=

-微分得22

3/2

20(1)d d u c m

c u m u

-=

2

d d k E c m

=

当u ＝0时，m ＝m 0，动能E k ＝0. 对上式积分得

即 220k E mc m c =- （4-13）

这是狭义相对论中的动能表达式，显然与经典力学中动能表达式不同，但是当u c <<时，有

22

2

2

00k E mc m c m c =-=

22

22

000211122u m c m c m u c ??≈+-= ???

这里忽略高价小量，回到了经典力学中质点的动能表达式。 由式（4-13），可写成

220k mc E m c =+

式中爱因斯坦将20c m 叫做物体的静能,而2

mc 是物体运动时具有的动能和静能之和，称为总能量，k E 是物体的动能。我们分别用E 和0E 表示总能量和静能:

2002,c m E mc E == （4-14）

这就是著名的质能关系式。

讨论 1 质能关系式揭示了质量和能量是不可分割的，质量是物质所含有的能量的量度。

2 由2

mc E =可得 2

mc E ?=? （4-15） 这是质能关系的另一种表达方式。它表明，物体吸收或放出能量时，必然伴随着质量的增加或减少。这一关系式是原子核物理以及原子能利用方面的理论基础。如有些重原子能分裂成两个较轻的核，该过程有质量亏损，同时释放出能量，这一过程称为核裂变。其中典型的是铀原子核

235

92

U 的裂变。23592U 中有235个核子，在热中子的轰击下，235

92U 裂变为2个新的原子核和2个中子，同时释放出能量Q 。再如轻核聚变，由轻核结合在一起形成较大的核，该过程有质量亏损，同时释放出能量。一个典型的轻核聚变是两个氘核（2

1H ，氢的同位素）聚变成氦核（4

2He ），同时释放出能量Q 。值得指出的是，对于所举的两个例子，就单位质量而言，后者释放的能量比前者要大得多。

20

d d k

E m

k m E c m

=?

?

例4-5已知质子和中子的静止质量分别为 amu 为原子质量单位，1amu ＝1.660× kg ，两个质子和两个中子结合成一个 核，实验测得它的静止质量 ＝4.001 50 amu ，计算形成一个氦核放出的能量。

解 两个质子和两个中子的质量为

形成一个氦核质量亏损

能量改变量为

这就是形成一个氦核放出的能量。 若形成1 mol 氦核(4.002 g)时放出的能量为

这相当于燃烧100吨煤时放出的热量。

4.4.3动量与能量的关系

将相对论动量的定义式p mu =两边平方,得

222

p m u =

再取质能关系式2

=E mc 两边平方,并运算,得

()()()()

2

2

2

2

2

22E mc

mc mu c mu c ==-+

()22

2

4

2422

21u m c p c m c c

p c ??=-+=

+ ???

即 222

02p c E E += （4-15）

这就是相对论性动量和能量的关系式。可以用一个直角三角形的勾股弦形象地表示

这一关系，如图4-5所示。 图4-5 总能量与动能的关系

P

n

M 1.00728amu

M 1.00866amu ==，，2710-42

He

氦A M P n M=2M 2M 4.03188amu

+=A M M M 0.03038amu

?=-=()

2

2

-27

811E=Mc 0.030381.660103100.453910J

-??=????=?112312E 0.453910 6.02210 2.73310J -?=???=?

例4-6 静止的电子经过1000000V 高压加速后，其质量、速率、动量各为多少？ 解 已知电子静质量m 0=9.11×10-31

kg ，因此其静能为

2311614009.11109108.210E m c --==???=?（J ）

静止的电子经过1000000V 电压加速后，其动能为

131000000 1.610k eV E -==?（J ）

由于E k >E 0，因此必须考虑相对论效应。此时电子的质量为

1413

300k 2216

8.210 1.610 2.6910(kg)910

E E E m c c ---+?+?====?? 由相对论的质速关系得

0.94υ= c 可见，电子经高电压加速后，速率与光速相比已经不可忽视。 电子的动量

308222.69100.943107.5910(kg m/s)p m υ--==????=??

例4-7 设有两个静止质量都是0m 的粒子，以大小相等、方向相反的速度碰撞，反应形成一复合粒子。试求这个复合粒子的静止质量0M 和运动速度V 。

解： 设这两个粒子的速率都是υ，由动量守恒和能量守恒定律得

（1）

2

2 （2） 由（1）得 0V =

由（2

）

0M

这表明复合粒子的静止质量0M 大于20m

，两者的差值

0002

222k E M m m c -=

式中k E 为两粒子碰撞前的动能。由此可见，与动能相联系的这部分质量转化为静止质量，从而使碰撞后复合粒子的静止质量增加了。

狭义相对论的时空观

4.3 狭义相对论的时空观 4.3.1 同时的相对性 光速相对于所有惯性系中的观测者以不变的速率传播，其惊人的结果是:时间一定是相对的。 1 “同时”的定义 设A 、B 两处发生两个事件，在事件发生的同时，发出两光信号，若在A 、B 的中心点同时收到两光信号，则A 、B 两事件是同时发生的。这就是用光前进的路程来测量时间，而这样定义的理由就是光速不变，这样的定义适用于一切惯性系。 2 爱因斯坦理想的 “火车对钟实验” 设有一列火车相对于站台以匀速向右运动，站台上的观测者测得当列车的首尾两点与站台上的A ，B 两点重合时，站台上的A ，B 两点同时发出一个闪光，所谓“同时”，就是两闪光同时传到站台上的中心点C 。但对于列车来说，由于它向右行驶，车上的中点先接到来自车头方（即站台上的A 点）的闪光，后接到来自车尾方（即站台的B 点）的闪光。于是对于列车上中点的观察者来说，A 点的闪光早于B 点。就是说，对于站台参照系是同时的事件，对于列车参照系就不是同时的，即事件的同时性是相对的。 在一个惯性系中的两个同时事件，在另一个惯性系中观测不是同时的，这是时空均匀性和光速不变原理的一个直接结果。 3 同时的相对性 设在惯性系S 中,在不同地点同时发生两事件,时空坐标分别为（x 1，0，0 ，t ）和（x 2，0，0，t ），则根据洛仑兹变换式（4-4a ），有 2221'11c u c ux t t -- =, 2222'21c u c ux t t --=，即()012 2122 '1'2≠---=-c u x x c u t t 讨论 1 从上可知，在某一惯性系同时不同地发生的两个事件，在另一惯性系中观测则是不同时发生, 这就是狭义相对论的同时相对性。同时相对性的本质在于在狭义相对论中时间和空间是相互关联的。若u 沿x 轴正方向，且12x x ->0,则0' 1' 2<-t t ,可得出结论，沿

大学物理第4章 狭义相对论时空观习题解答改

习 题 4-1 一辆高速车以0.8c 的速率运动。地上有一系列的同步钟,当经过地面上的一台钟时,驾驶员注意到它的指针在0=t ,她即刻把自己的钟拨到0'=t 。行驶了一段距离后,她自己的钟指到6 us 时,驾驶员瞧地面上另一台钟。问这个钟的读数就是多少？ 【解】s)(10) /8.0(16/12 2 2 0μ=-μ= -?= ?c c s c u t t 所以地面上第二个钟的读数为 )(10's t t t μ=?+= 4-2 在某惯性参考系S 中,两事件发生在同一地点而时间间隔为4 s,另一惯性参考系S′ 以速度c u 6.0=相对于S 系运动,问在S′ 系中测得的两个事件的时间间隔与空间间隔各就是多少？ 【解】已知原时(s)4=?t ,则测时 (s)56 .014/1'2 2 2 =-= -?= ?s c u t t 由洛伦兹坐标变换2 2 /1'c u ut x x --= ,得: )(100.9/1/1/1'''82 22 2202 21012m c u t u c u ut x c u ut x x x x ?=-?= --- --= -=? 4-3 S 系中测得两个事件的时空坐标就是x 1=6×104 m,y 1=z 1=0,t 1=2×10-4 s 与x 2=12×104 m,y 2=z 2=0,t 2=1×10-4 s 。如果S′ 系测得这两个事件同时发生,则S′ 系相对于S 系的速度u 就是多少？S′ 系测得这两个事件的空间间隔就是多少？ 【解】(m)1064 ?=?x ,0=?=?z y ,(s)1014 -?-=?t ,0'=?t

0)('2=?- ?γ=?c x u t t 2c x u t ?=?? (m/s)105.182?-=??=?x t c u (m )102.5)('4?=?-?γ=?t u x x 4-4 一列车与山底隧道静止时等长。列车高速穿过隧道时,山顶上一观察者瞧到当列车完全进入隧道时,在隧道的进口与出口处同时发生了雷击,但并未击中列车。试按相对论理论定性分析列车上的旅客应观察到什么现象？这现象就是如何发生的？ 【解】S 系(山顶观察者)瞧雷击同时发生,但车厢长度短于山洞长度,故未被击中。 'S 系(列车观察者)瞧雷击不同时发生。虽然车厢长度长于山洞长度,但出洞处先遭 雷击,入洞处后遭雷击,此时车尾已经进入山洞。故未被击中。 4-5 一飞船以0.99c 的速率平行于地面飞行,宇航员测得此飞船的长度为400 m 。(1)地面上的观察者测得飞船长度就是多少？(2)为了测得飞船的长度,地面上需要有两位观察者携带着两只同步钟同时站在飞船首尾两端处。那么这两位观察者相距多远？(3)宇航员测得两位观察者相距多远？ 【解】(1))(4.5699.01400/12 2 2 0m c u l l =-=-= (2)这两位观察者需同时测量飞船首尾的坐标,相减得到飞船长度,所以两位观察者相距就是56.4 m 。 (3)上的两位观察者相距56.4 m,这一距离在地面参考系中就是原长,宇航员瞧地面就是运动的,她测得地面上两位观察者相距为 )(96.799.014.56/12220m c u l l =-=-= 所以宇航员测得两位观察者相距7.96 m 。 4-6 一艘飞船原长为l 0,以速度v 相对于地面作匀速直线飞行。飞船内一小球从尾部运

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 - ．

大学物理练习题 狭义相对论的基本原理及其时空观

练习十九狭义相对论的基本原理及其时空观 一、选择题 1. 静止参照系S中有一尺子沿x方向放置不动，运动参照系S′沿x轴运动，S、S′的坐标轴平行。在不同参照系测量尺子的长度时必须注意 (A) S′与S中的观察者可以不同时地去测量尺子两端的坐标。 (B)S′中的观察者可以不同时，但S中的观察者必须同时去测量尺子两端的坐标。 (C)S′中的观察者必须同时，但S中的观察者可以不同时去测量尺子两端的坐标。 (D) S′与S中的观察者都必须同时去测量尺子两端的坐标。 2. 下列几种说法： (1)所有惯性系对一切物理规律都是等价的。 (2)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度都相同。 其中哪些正确的？ (A)只有(1)、(2)是正确的。 (B)只有(1)、(3)是正确的。 (B)只有(2)、(3)是正确的。 (D)三种说法都是正确的。 3. 边长为a的正方形薄板静止于惯性系S的xOy平面内，且两边分别与x轴、y轴平行，今有惯性系S′以0.8c(c为真空中光速)的速度相对于K系沿x轴作匀速直线运动，则从S′系测得薄板的面积为 (A)a2。 (B) 0.6a2。 (C) 0.8 a2。 (D)a2/0.6。 4. 在某地发生两件事，静止位于该地的甲测得时间间隔为6s，若相对甲以4c/5(c表示真空中光速)的速率作匀速直线运动的乙测得时间间隔为 (A) 10s。 (B) 8s。 (C) 6s。 (D) 3.6s。 (E) 4.8s。 5. (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? 关于上述两问题的正确答案是： (A)(1)一定同时，(2)一定不同时。 (B)(1)一定不同时，(2)一定同时。 (C)(1)一定同时，(2)一定同时。 (D)(1)一定不同时，(2)一定不同时。 6. 一尺子沿长度方向运动，S′系随尺子一起运动，S系静止，在不同参照系中测量尺子的长度时必须注意 (A) S′与S中的观察者可以不同时地去测量尺子两端的坐标。 (B)S′中的观察者可以不同时，但S中的观察者必须同时去测量尺子两端的坐标。 (C)S′中的观察者必须同时，但S中的观察者可以不同时去测量尺子两端的坐标。 (D)S′与S中的观察者都必须同时去测量尺子两端的坐标。 7. 按照相对论的时空观，以下说法错误的是 (A)在一个惯性系中不同时也不同地发生的两件事，在另一个惯性系中一定不同时。 (B)在一个惯性系中不同时但同地发生的两件事，在另一个惯性系中一定不同时。 (C)在一个惯性系中同时不同地发生的两件事，在另一个惯性系中一定不同时。 (D)在一个惯性系中同时同地发生的两件事，在另一个惯性系中一定也同时同地。 8. 在高速运动的列车里(S′系)一物体从A运动到B，经历的时间为Δt′> 0；而在地上(S系)的观察者看列车上的A、B两点的坐标发生变化，物体运动的时间变为Δt，则在S中得到的结果是 (A)一定是物从A到B，Δt > 0。(B)可能是物从B到A，Δt > 0。

《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

15.狭义相对论的基本原理及其时空观

《大学物理》练习题No.15 狭义相对论时空观及动力学基础班级____________ 学号__________ 姓名_________ 成绩________ 一、选择题 1. 静止参照系S中有一尺子沿x方向放置不动，运动参照系S'沿x轴运动,S、S'的坐标轴平 行.在不同参照系测量尺子的长度时必须注意[ C ] (A) S'与S中的观察者可以不同时地去测量尺子两端的坐标. (B) S'中的观察者可以不同时，但S中的观察者必须同时去测量尺子两端的坐标. (C) S'中的观察者必须同时，但S中的观察者可以不同时去测量尺子两端的坐标. (D) S'与S中的观察者都必须同时去测量尺子两端的坐标. 2. 下列几种说法： (1) 所有惯性系对一切物理规律都是等价的. (2) 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度都相同. 其中哪些正确的？[ D ] (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. 3. 边长为a的正方形薄板静止于惯性系K的xOy平面内，且两边分别与x轴、y轴平行， 今有惯性系K'以0.8c（c为真空中光速）的速度相对于K系沿x轴作匀速直线运动，则从K'系测得薄板的面积为[ B ] (A) a2.(B) 0.6a2.(C) 0.8 a2.(D) a2/ 0.6. 4. 在某地发生两件事，静止位于该地的甲测得时间间隔为6s，若相对甲以4c/5(c表示真空 中光速)的速率作匀速直线运动的乙测得时间间隔为[ A ] (A) 10s.(B) 8s.(C) 6s.(D) 3.6s. (E) 4.8s. 5. (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? 关于上述两问题的正确答案是: [ A ] (A) (1)一定同时, (2)一定不同时. (B) (1)一定不同时, (2)一定同时. (C) (1)一定同时, (2)一定同时. (D)(1)一定不同时,(2)一定不同时. 6.圆柱形均匀棒静止时的密度为ρ0，当它以速率u沿其长度方向运动时，测得它的密度为ρ，

大学物理第4章狭义相对论时空观习题解答(改)

大学物理第4章狭义相对论时空观习题解答 (改) -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN

2 习 题 4-1 一辆高速车以0.8c 的速率运动。地上有一系列的同步钟，当经过地面上的一台钟时，驾驶员注意到它的指针在0=t ，他即刻把自己的钟拨到 0'=t 。行驶了一段距离后，他自己的钟指到6 us 时，驾驶员看地面上另一台钟。问这个钟的读数是多少？ 4-2 【解】s)(10) /8.0(16/12 2 2 0μ=-μ= -?= ?c c s c u t t 所以地面上第二个钟的读数为 )(10's t t t μ=?+= 4-3 在某惯性参考系S 中，两事件发生在同一地点而时间间隔为4 s ，另一惯性参考系S′ 以速度c u 6.0=相对于S 系运动，问在S′ 系中测得的两个事件的时间间隔和空间间隔各是多少？ 4-4 【解】已知原时(s)4=?t ，则测时 (s)56 .014/1'2 2 2 =-= -?= ?s c u t t 由洛伦兹坐标变换2 2 /1'c u ut x x --= ，得： )(100.9/1/1/1'''82 22 2202 21012m c u t u c u ut x c u ut x x x x ?=-?= --- --= -=? 4-5 S 系中测得两个事件的时空坐标是x 1=6×104 m ，y 1=z 1=0，t 1=2×10-4 s 和x 2=12×104 m ，y 2=z 2=0，t 2=1×10-4 s 。如果S′ 系测得这两个事件同时发生，则

3 S′ 系相对于S 系的速度u 是多少？S′ 系测得这两个事件的空间间隔是多少？ 【解】(m)1064?=?x ，0=?=?z y ，(s)1014-?-=?t ，0'=?t 0)('2=?- ?γ=?c x u t t 2c x u t ?=?? (m/s)105.182?-=??=?x t c u (m )102.5)('4?=?-?γ=?t u x x 4-6 一列车和山底隧道静止时等长。列车高速穿过隧道时，山顶上一观察者看到当列车完全进入隧道时，在隧道的进口和出口处同时发生了雷击，但并未击中列车。试按相对论理论定性分析列车上的旅客应观察到什么现象这现象是如何发生的 4-7 【解】S 系（山顶观察者）看雷击同时发生，但车厢长度短于山洞长度，故未被击中。 'S 系（列车观察者）看雷击不同时发生。虽然车厢长度长于山洞长度，但出洞处先遭雷击，入洞处后遭雷击，此时车尾已经进入山洞。故未被击中。 4-8 一飞船以0.99c 的速率平行于地面飞行，宇航员测得此飞船的长度为400 m 。（1）地面上的观察者测得飞船长度是多少（2）为了测得飞船的

爱因斯坦和狭义相对论

对爱因斯坦狭义相对论的认识 摘要19世纪末，物理学被世界认为总体已经建成，后来的物理学家只需要做一些修修补 补的工作了。但正是在这个让许多年轻的物理学家觉得生不逢时的年代。爱因斯坦在1905年用业余时间写了6篇论，在三个领域做出了四个优化时代意义的贡献从而发现了科学界的新大陆。爱因斯坦的相对论是跨过了当时人的思想的理论对于现在的我们也仍是可望而不可即的，下文中也将为你介绍我对相对论的浅涉。 关键词爱因斯坦狭义相对论推论科学思想 爱因斯坦(AlbertEi nstein,1879 一1955)出身于德国符腾堡的乌尔姆镇,父母都是犹太人.1896年10 月考入苏黎世工业大学攻读物理学.1900年毕业后一度失业.1902 年6 月到伯尔尼瑞士专利局任技术员.19 05 年发表矛阐述狭义相对论、光量子理论和布朗运动理论等四篇重要论文,推动了物理理论的变革.同年以论文《分子大小的新测定法》取得苏黎世大学博古学位.咖年秋兼任伯尔尼大学编外讲师.1909年离开专利局任苏黎世大学理论物理学副教授.1914 年回德国任威廉皇家学会物理研究所所长兼柏林大学教授.1916 年发表了《广义相对论基础》.由于爱因斯坦在光量子论方面的贡献,荣获1921 年诺贝尔物理学奖.1933 年,希特勒执政后,爱因斯坦成为纳粹的迫害对象,幸而他在美国讲学未遭毒手,同年10 月在美国定居,任普林斯顿高级研究所研究员.1940 年取得美国国籍.1950年发表新的统一场论论文.1955 年4 月18 日逝世.[1] 1905年3月,一个26岁的瑞士专利局技术员在德国的物理年报登出了论文“关于光的产生和转化的一个启发性观点”,文中解决了经典物理学无法解释的光电效应；4月,他完成了分子大小的新测定法; 5月, 他完成了热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动等两篇关于布朗运动的研究论文; 6月, 他完成论文论运动物体的电动力学,创立了狭义相对论.他就是著名的物理学阿尔伯特. 爱因斯坦(Albert.Einstein) .在这短短的几个月时间, 爱因斯坦在科学研究上取得了突破性成就,特别是狭义相对论的创立, 改变了牛顿力学的时空观念, 创立了一个全新的物理学世界.[3] 100年过去了, 爱因斯坦在狭义相对论、广义相对论等方面的成就, 在科学史上留下了不朽的丰碑.爱因斯坦的科学思想, 以及他对哲学、宗教、教育、和平等问题的独到见解,又使他成为一位思想家, 他的许多观念对科学、哲学和社会的发展产生了巨大的影响.鉴于这些影响, 了解相对论的创立背景,客观地描述历史, 客观地评价爱因斯坦的科学成果和科学思想是极其必要的. [3]爱因斯坦一直认为他的工作是前人工作的继续他曾经说过:至于相对论它根本不是一个革命行动的问题,而是一条可以追溯到很多世纪的路线的一种自然发展的问题.’他对他的前辈和同时代人的工作都是充分肯定的.英费尔德(L.Jlfeld)在他写的《相对论的发展史》中叙述了他与爱因斯坦在普林斯顿的一次谈话:“我对爱因斯坦说:‘在我看来,即使您没有建立它,狭义相对论的出现也不会再等多久.因为庞加莱已痉很接近构成狭义相对论的那些东西了.”,爱因斯坦回答道:“是的,这说得对’.[1] 在爱因斯坦小的时候，有一天德皇军队通过慕尼黑的市街，好奇的人们都涌向窗前喝彩助兴，小孩子们则为士兵发亮的头盔和整齐的脚步而神往，但爱因斯坦却恐惧得躲了起来，他既瞧不起又害怕这些“打仗的妖怪”，并要求他的母亲把他带到自己永远也不会变成这种妖怪的国土去。中学时，母亲满足了爱因斯坦

狭义相对论的时空观

第3节 狭义相对论的时空观 一、 时空间隔变换 事件1 事件2 时空间隔 S ：),,,(1111t z y x ),,,(2222t z y x x x x ?=-12，y y y ?=-12 z z z ?=-12，t t t ?=-12 S '：),,,(1111t z y x '''' ),,,(2222t z y x '''' x x x '?='-'12，y y y '?='-'12 z z z '?='-'12，t t t '?='-'12 22111/1c u t u x x -'+'= 2 22 22/1c u t u x x -'+'= 1 1y y '= 22y y '= 11z z '= 22z z '= 221211/1c u x c u t t -'+'= 22222 2/1c u x c u t t -'+'= 时空间隔变换： 22/1c u t u x x -'?+'?=? 2 2/1c u t u x x -?-?='? y y '?=? y y ?='? z z '?=? z z ?='? 222/1c u x c u t t -'?+'?=? 222/1c u x c u t t -?-?='? 例：地面观察者测得地面上 甲已两地相距m 6100.8?一列火车从甲→已历时s 0.2，一飞船相对地面 以匀速c u 6.0=的速度 甲 m 100.8? 已 x 飞行，飞行方向与火车运动方向相同 求：飞船上观察者测得火车从甲→已运行的路程、时间及速度 解：地面：S ，飞船：S '，c u 6.0= 从甲出发：事件1，到达已地：事件2 S ：m x 6100.8?=?，s t 0.2=? 速度：s m t x V /100.40.2100.866 ?=?=??= S '：22/1c u t u x x -?-?='?=m 8 2 86104.46 .010.21036.0100.8?-=-???-? 222/1c u x c u t t -?-?='?=s 48.26.01100.81036.00.226 8 =-???- c s m t x V 59.0/10774.18-≈?-=' ?' ?='0<

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

狭义相对论的时间观

一、同时的相对性（Relativity of Simultaneity ）： 狭义1．概念 相对论的时空观认为：同时是相对的。即在一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中不一定是同时的。 例如：在地球上不同地方同时出生的两个婴儿，在一个相对地球高速飞行的飞船上来看，他们不一定是同时出生的。 2．例子：Einstein 列车： 以u 匀速直线运动，车厢中央有一闪光灯发出信号，光信号到车厢前壁为事件1，到后壁为事件2；地面为S 系，列车为S'系。 在S'系中，A 以速度v 向光接近；B 以速度v 离开光，事件1与事件2同时发生。 在S 系中，光信号相对车厢的速度v ’1=c-v ，v ’2=c+v ，事件1与事件2不是同时发生。即S'系中同时发生的两个事件，在S 系中观察却不是同时发生的。因此，“同时”具有相对性。 说明：Lorentz 速度变换式中，是求某质点相对于某参考系的速度，不可能超过光速。而在同一参考系中，两质点的相对速度应该按矢量合成来计算。 2．解释：在S'系中，不同地点x 1'与x 2'同时发生两件事 t 1'= t 2'，Δ t '= t 1'- t 2'=0，Δ x '=x 1' – x 2' 在S 系中 () 2 21c v x c v t t -'?+ '?= ? 由于Δ t '=0。Δ x '=x 1' – x 2'≠0，故Δ t ≠0。 可见，两个彼此间作匀速运动的惯性系中测得的时间间隔，一般来说是不相等的。 即不同地点发生的两件事，对S'来说是同时发生的，而在S 系中不一定是同时发生的。 若Δ x '=x 1' – x 2'=0，则Δ t =0，即是同一地点同时发生的两件事，则在不同的惯性中也是同时发生的。 3．进一步说明： 若t 1'< t 2'，S'系中，事件1早于事件2；但是随着x 1' – x 2'的取值不同，t 1- t 2就可能小于零、大于零或等于零，既事件1可能早于事件2，也可以晚于2，或同时发生，两事件的先后次序在不同的惯性系中可能发生颠倒。 例：地球上，甲出生于：x 1，t 1；乙出生于：x 2，t 2