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本课件从经典力学的伽利略变换与相对性原理出发，指出其与光速不变之间的矛盾，进而介绍狭义相对论的两条基本原理与洛伦兹变换，讨论同时性的相对性、长度收缩与时间膨胀等时空观结论，最后给出相对论质量、动量与能量的关系。
第十四章狭义相对论基础1爱因斯坦:Albert . Einstein(1879年3月14日~ 1955年4月18日)现代时空观的创始人，二十世纪最伟大的科学家相对论基础special relativity
第十四章狭义相对论基础2横看成岭侧成峰，远近高低各不同。（苏轼《题西林壁》）我们看到的现象和对事物的描述，随观测的角度而异。现代物理学不是被动地去协调不同参考糸中的观测数据，而是自觉地去探索不同参考系中物理量、物理规律之问的变换关系（相对性原理）以及变换中的不变量（对称性），以便超越自我认识上的局限性，去把握物理世界中更深层次的奥秘。超越从个别角度（参考系）的局限性，寻求不同参考系内各观测量之间的变换关系，以及变换过程中那些不变性.
第十四章狭义相对论基础31900年,著名物理学家开尔文在元旦献词中的名言：但他却没有料到，这两朵小小的乌云正孕育着一场暴风雨，并促成了近代物理学的两大理论支柱相对论和量子力学的诞生。狭义相对论的基本原理与洛仑兹变换引言狭义相对论的基本原理与洛仑兹变换“在物理学的天空，一切都已明朗洁净了，只剩下两朵乌云，一朵与麦克耳孙-莫雷实验（寻找“以太”）有关，另一朵与黑体辐射有关。”
第十四章狭义相对论基础4一伽利略变换式----经典力学的相对性原理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.即: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？[复习]•惯性参考系,运动描述的相对性(举例)在两个惯性系中考察同一物理事件？狭义相对论的基本原理与洛仑兹变换问题?（绝对运动或绝对静止的参考系是无意义的。)狭义相对论的基本原理与洛仑兹变换无法借助力学实验的手段确定惯性系自身的运动状态§14.1经典时空观
第十四章狭义相对论基础5◆伽利略变换当时与重合位置坐标变换公式经典力学认为：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.*
第十四章狭义相对论基础6加速度变换公式伽利略速度变换公式在两相互作匀速直线运动的惯性系中，牛顿运动定律具有相同的形式.伽利略坐标变换公式
第十四章狭义相对论基础7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二经典力学的绝对时空观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.实践已证明,绝对时空观是不正确的.
第十四章狭义相对论基础8对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式是一样的吗？真空中的光速对于两个不同的惯性参考系,光速满足伽利略变换吗？狭义相对论的基本原理与洛仑兹变换问题?
第十四章狭义相对论基础9球投出前结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达到观察者所需要的时间. (根据伽利略变换)球投出后
第十四章狭义相对论基础101060年左右的超新星爆发留下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.《宋会要》记载：“嘉佑元年三月（公元1056年），司天监言，客星没，客去之兆也。初，至和元年（公元1054年）五月晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四射，色赤白，凡见二十三日。”超新星爆发和蟹状星云：问题?
第十四章狭义相对论基础11强光的持续时间约l=5000光年物质飞散速度ABA点光线到达地球所需时间B点光线到达地球所需时间结论：在25年持续看到超新星爆发时发出的强光，和历史记载的不符合。(实际持续时间约为22个月)
第十四章狭义相对论基础12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.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.14.2狭义相对论的基本原理
第十四章狭义相对论基础13一、狭义相对论的基本原理1）爱因斯坦相对性原理：物理定律在所有的惯性系中都具有相同的表达形式.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.关键概念：相对性和不变性.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.伽利略变换与狭义相对论的基本原理不符.
第十四章狭义相对论基础14线性变换相对性原理xtvx()γxv()xγt+sYZOXsXYZOvPss()txyz,,,()txyz,,,yzyz对任一事件，变换式均应满足:OO若在重合时原点处沿OX方向发出一光信号，xctxct应满足光速不变原理:开始计时,vsXs相对沿方向以匀速运动,tt0OO重合二.洛仑兹变换式ss分别观察此光信号传播到达的X坐标和时间关系
第十四章狭义相对论基础15对系：对系：代入代入代入代入相乘求待定系数γ
第十四章狭义相对论基础16洛仑兹变换洛仑兹变换则txcγtvx()cγ(tcv2x)或tγ(tcv2)+x正变换逆变换______
第十四章狭义相对论基础171）与成线性关系，但比例系数.2）时间不独立，和变换相互交叉.3）时，洛伦兹变换伽利略变换。洛伦兹变换特点意义：基本的物理定律应该在洛伦兹变换下保持不变.这种不变显示出物理定律对匀速直线运动的对称性——相对论对称性.变换无意义.>速度有极限!
第十四章狭义相对论基础18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.三.狭义相对论的时空观1同时的相对性
第十四章狭义相对论基础19事件2系(车厢参考系)S系(地面参考系)事件1在一个惯性系同时发生的两个事件，在另一个惯性系是否同时?
第十四章狭义相对论基础20------不同时------不同时2、同地不同时1、同时不同地S系S′系S′：同时不同地不同时！讨论：------同时------不同时3、同时同地4、不同时不同地时------同时仅当此结果反之亦然.注意
第十四章狭义相对论基础21沿两个惯性系运动方向，不同地点发生的两个事件，在其中一个惯性系中是同时的，在另一惯性系中观察则不同时，所以同时具有相对意义；只有在同一地点，同一时刻发生的两个事件，在其他惯性系中观察也是同时的.结论:同时性具有相对意义
第十四章狭义相对论基础22二、长度的收缩(动尺变短)标尺相对系静止在S系中测量测量为两个事件要求在系中测量------固有长度长度的测量和同时性概念密切相关．
第十四章狭义相对论基础23（固有长度）物体相对静止时所测得的长度.（最长）
第十四章狭义相对论基础24结论：长度具有相对意义1长度收缩l<l0V2如将物体固定于系,由系测量,同样出现长度收缩现象.讨论：当时.洛伦兹收缩:运动物体在运动方向上长度收缩.长度收缩是一种相对效应,此结果反之亦然.
第十四章狭义相对论基础25S系中的观察者有一根米尺固定在x轴上，其两端各装一手枪。在S´系中的x´轴上固定另一根长尺，当后者从前者旁边经过时，S系中的观察者同时扳动两手枪，使子弹在S´系中的尺上打出两个记号。试问在S´系中这两个记号之间的距离是小于、等于、还是大于1 m?SS´问题?
第十四章狭义相对论基础26解1一门宽为a,今有一固有长度为L0(L0>a)的水平细杆,在门外贴近门的平面内沿其长度方向匀速运动,若站在门外的观察者认为此杆的两端可同时被拉进此门,则该杆相对于门的运动速度至少为多少?例题
第十四章狭义相对论基础272宇宙飞船相对于地面以速度作匀速直线运动，某时刻飞船头部的宇航员向尾部发出一个光信号，经过Δt（飞船上的钟）后，被尾部的接收器收到，则由此可知飞船的固有长度为:(A)cΔt(B)(C)(D)思考?
第十四章狭义相对论基础28运动的钟走得慢3、时间的延缓(动钟变慢)
第十四章狭义相对论基础29系同一地点B发生两事件在S系中观测两事件发射一光信号接受一光信号时间间隔B
第十四章狭义相对论基础30固有时间：同一地点发生的两事件的时间间隔.时间延缓：运动的钟走得慢.固有时间
第十四章狭义相对论基础31狭义相对论的时空观1）两个事件在不同的惯性系看来，它们的空间关系是相对的，时间关系也是相对的，只有将空间和时间联系在一起才有意义.2）时—空不互相独立，而是不可分割的整体.3）光速C是建立不同惯性系间时空变换的纽带.3）时，.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.）注意
第十四章狭义相对论基础32例3设想有一光子火箭以速率相对地球作直线运动，若火箭上宇航员的计时器记录他观测星云用去10 min,则地球上的观察者测得此事用去多少时间？运动的钟似乎走慢了.解:设火箭为系、地球为S系例题
第十四章狭义相对论基础334一短跑选手，在地球上以10 s的时间跑完100 m.在飞行速度为0.98c的飞船中的观测者来看，这选手跑了多长时间和多长距离？解首先要明确，起跑是一个事件，到终点是另一个事件，这是在不同地点发生的两个事件．所以不能套用时间膨胀公式，应用洛伦兹坐标变换式来计算时间间隔．思考?
第十四章狭义相对论基础34从这里可以看出，运用时间膨胀公式得到相同的结果，其原因是在本题中:解
第十四章狭义相对论基础35这一条件不是任何时候都能满足的！但在地球这一有限空间内，是可以满足的，虽然这两事件并不同地，但可近似地套用时间膨胀公式.本题求距离，所以可以套用长度缩短公式：
第十四章狭义相对论基础36但如果本题要计算起跑和到达终点两个事件的空间间隔空间间隔是负的！！！则
第十四章狭义相对论基础37爱因斯坦想“追光”。当16岁的爱因斯坦在瑞士阿劳州立中学上学时，就曾设想过以光的速度c随同光线运动时光的电磁场该是怎样呢？那是一个在空间振荡而停滞不前的电磁场，还是与静止在地球上的观察者所看到的一样？他为此沉思了10年。现在要问，假设能造出光子火箭，在以光速c飞行的飞船上测定的光速该是多少？在以光速运动飞船上观察者看到的电磁场与地球上的观察者所观察的一样，测得的光速仍然是c，按爱因斯坦速度变换也是c .问题?
第十四章狭义相对论基础381）相对论动量当时一动量与速度的关系2）相对论质量静质量：物体相对于惯性系静止时的质量.在不同惯性系中大小不同.当时C14.3狭义相对论的动力学基础（遵循洛伦兹变换）
第十四章狭义相对论基础39二狭义相对论力学的基本方程相对论动量守恒定律当时，急剧增加,而，所以光速C为物体的极限速度.当时，不变.当时
第十四章狭义相对论基础40三质量与能量的关系动能定理设积分:利用和相对论动能
第十四章狭义相对论基础41当时,相对论动能质能关系预言：物质的质量就是能量的一种储藏.◆相对论能量和质量守恒是一个统一的物理规律。相对论的质能关系为开创原子能时代提供了理论基础,这是一个具有划时代的意义的理论公式.相对论质能关系
第十四章狭义相对论基础42例：现有100座楼，每楼200套房，每套房用电功率10k W，总功率，每天用电10小时，年耗电量，可用约33年。1千克汽油的燃烧值为焦耳.相对论动能相对论质能关系
第十四章狭义相对论基础43五.动量与能量的关系极端相对论近似光子光的波粒二象性普朗克常量
第十四章狭义相对论基础44有一粒子静止质量为m0，现以速度v=0.8c运动，有人在计算它的动能时，用了以下方法：再根据动能公式，有正确吗？讨论首先计算粒子质量:错误!相对论动能公式为
第十四章狭义相对论基础45设一质子以速度运动.求其总能量、动能和动量.解质子的静能也可如此计算例题
第十四章狭义相对论基础46Δm=M0-MHe=0.03038u由ΔE=(Δm)c2得:=4.539×10-12J结合成1mol氦核时(4.002g)放出热能ΔEmol=1.602×1023ΔE=2.733×1012J相当于燃烧100T煤放出的热能!原子核的结合能质子,中子质量分别为mp=1.00728u,mn=1.00866u,实验测得两质子与两中子结合成一氦核时的质量为MHe=4.00150u,试计算形成一氦核时放出的热量.(1u=1.660×10-27kg)解:两质子与两中子结合前总质量为M0=2(mp+ mn)=4.03188u结合成一个氦核时的质量亏损为:补例
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