大学物理：相对论2(全)

迈克耳逊-莫雷实验狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式相对论性动量和能量广义相对论简介*

第十四章相对论伽利略变换式牛顿的绝对时空观狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观一同时性的相对性二长度收缩三时间延缓一同时的相对性问题1

什么是同时？同一惯性系各地的时钟同步的校准方法问题3

两个事件在一个惯性系中同时发生，在另一惯性系中是否仍为同时？问题2

同一惯性系中不同地方的钟如何校准？经典力学同时性——同时是绝对的

一个参照系里同时发生的事件，在另一个参照系里则可能不是同时的

！——同时是相对的。从洛仑兹变换看同时性的相对性

由于同时的相对性，不同惯性系的时钟不可能有统一的同步标准.结论结论—不同时—不同时2同地不同时1同时不同地S系S’系—同时—不同时当时—同时

3同时同地4不同时不同地(3)同时性的相对性是光速不变原理的直接结果。(1)同时性是相对的。

沿两个惯性系相对运动方向上发生的两个事件，在其中一个惯性系中表现为同时，在另一个惯性系中观察，则总是在运动方向后方的那一事件先发生。讨论(2)同时性的相对性否定了不同惯性系具有统一时间的可能性，否定了牛顿的绝对时空观。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.从车厢里看：事件1和事件2

同时.从地面看：事件1比事件2

提前，不同时.

判断：

（1）在某个惯性系中的同时、同地两事件，在所有其他惯性系中，也一定是同时、同地。

（2）在某个惯性系中的同时、不同地事件，在所有其他惯性系中，一定同时。（3）在某个惯性系中的不同时、同地事件，在所有其他惯性系中，一定不同时。（4）在某个惯性系中的不同时、不同地事件，在所有其他惯性系中，一定不同时。相对论的同时性——时序的相对性例京、沪相距1000km，北京站的甲火车先于上海站的乙火车1.0ms发车。有一艘飞船沿从北京到上海的方向以速率

v=0.6c

运动。求宇航员测得的甲乙两列火车发车的时间间隔，哪一列先发车?OxSzyS'

O'

解取地面为S

系，飞船为S'

系，北京站为坐标原点，北京至上海方向为x

轴正方向，依题意有：t'<0，说明上海站的乙火车先开，时序颠倒OxS'

O'

Szy结论—时序不变—时序不定1同地事件2不同地事件S系S’系时序不变同时发生时序颠倒问题：会发生先击靶、后开枪的情况吗？时序不变u

称为运动速度结论3

有因果关联的事件时序不变！OSx例地球上甲乙两地相距3000km，甲地发射信号比乙地早0.06s，若飞船以下列速度飞行，飞船上观察到甲乙两地发射信号的时序如何？（1）v=0.6c

；（2）v=0.8c解时序变化，同时发射时序颠倒，乙地先发射二长度收缩

如图，惯性系S，S’，杆静止在S’系的x轴上，在S’上测得杆长——固有长度

在系中测量杆的长度，必须在同一时刻测量杆两端的位置坐标，否则结果不唯一。在S系中测得杆长：11m得：v固有长度l0

：相对观察者静止时物体的长度称为静止长度或固有长度。表明：相对于观察者运动的物体，在运动方向的长度比相对观察者静止时缩短了（尺缩效应）。

（1）尺缩效应是纯粹的相对论效应，并非物体发生了形变或者发生了结构性质的变化。讨论及结论：

（2）狭义相对论中，所有惯性系等价。在S系x轴上静止的杆，在S’上测量的长度也缩短了。

（3）相对论长度收缩只发生在物体运动方向上（因为z’＝z，y=y’），收缩量与相对速度有关。（4）v＜＜c时，l=l0，即为经典情况。

（5）

空间两点的距离是相对的，依赖于测量者的运动状态。静止的车运动的车长度收缩例

(1)某飞行器以v=1000m/s的速度匀速飞行，飞行器中的观察者测得机身长20m，则地球上的观察者测得的机身长度为：(2)如果上述飞行器以0.5c的速度匀速飞行，则在飞行器上的观测者测得地面上相距为20m的两点之间的距离是：高速情况下，尺缩效应不能忽略！低速情况下，尺缩效应可以忽略!例

S’系相对于S系的运动速度为30ov例

地球绕太阳公转的速度约30km/s，问太阳参照系测得地球在其运动方向缩短的百分比？求

S系中测得的长度及与x轴的夹角。S’系有一静止米尺与x’轴成30o。思考题一列火车正高速穿过某隧道，火车和隧道的固有长度相同。当火车中部进到隧道中间时，在地面参照系观察到两隧道口同时打雷。在地面参照系看来，火车会被雷击中吗？在火车参照系看来呢？同时闪电，车正好在山洞里！u隧道比车短，火车可被闪电击中否？车比隧道短u车头出洞口前，出现第一个闪电u车尾进洞口后，出现第二个闪电闪电不同时！三时间延缓(动钟变慢)B发射光信号接受光信号时间间隔系同一地点B

发生两事件固有时间同一地点发生的两事件的时间间隔.在S

系中观测两事件时间延缓：运动的钟走得慢.固有时间

由上分析可知：相对于事件发生地点做相对运动的惯性系中测得的时间比相对于事件发生地点静止的惯性系中测得的时间要长。换句话说，一时钟由一个与它作相对运动的观察者来观察时，就比由与它相对静止的观察者观察时走得慢。

（1）时间膨胀纯粹是一种相对论效应，时间本身的固有规律（例如钟的结构）并没有改变。讨论及结论：（4）v＜＜c时，Δt=Δt0，即为经典情况。

（2）在S上测得S’上的钟慢了，同样在S’上测得S上的钟也慢了;——相对论的结果。

（3）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）例

观察者甲、乙分别静止于两个惯性系S和S´中，甲测得在同一地点发生的两个事件的时间间隔为4s，而乙测得这两个事件的时间间隔为5s。求：（1）S´相对S的运动速度（2）乙测得这两个事件发生地点的距离解设S´沿x（x´）轴方向相对于S运动的速度为v，则根据洛仑兹变换式，有：（1）因两个事件在S系中同一地点发生，所以x1=x2，则：v=1.8108m/s（2）例

飞船相对于地球以的速度飞行,宇航员翟志刚记录自己生活了1年,可谓“天上方七日，地上已千年”（1）地球上的刘伯明测得他生活了几年?（2）返回时翟志刚比同龄的刘伯明年轻多少岁？双生子“佯谬”（TwinsParadox）3）在翟志刚看来，刘伯明也是运动的，应该刘伯明更年轻才对呀！如何解释？

佯谬的解释：地球与宇宙飞船不是等价的：地球是惯性系，而飞船不是，因为飞船有加速度。如同相对论的其他公式一样，钟慢效应只对惯性系成立。所以断言飞船的时间变慢的观察者是正确的，宇航员没有资格用这个公式。

生命在于运动！低速下，如果一个人的寿命是100岁，时刻都以百米冲刺的速度在跑（假设每秒10米），一生的寿命膨胀26.7微秒。实例电子或正电子中微子反中微子经典时空观：地面能否探测到介子？衰变前相对论时空观：以地面参照系：子寿命延长以介子为参照系：大气层的厚度收缩相对论时空观总结

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，并与运动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，深刻地反应了时空的性质，这是正确认识自然界乃至人类社会应持有的基本观点。所以说，狭义相对论的时空观为科学的、辩证的世界观提供了物理上的论据。

横看成岭侧成峰，远近高低各不同——时、空都是相对的

1955年，JamesTorrell纠正了错误的认识。测量形象（观测者）和视觉形象（观看者）知识拓展：观测与观看的区别测量形象：测量运动杆长度必须同时测量其两端点坐标，才能由坐标差得出长度的测量值。视觉形象：是由物体上各点发出后“同时到达”眼睛或照相机的光线所组成，这些光线不是同时从物体发出的。

伽莫夫著的著名科普读物《物理世界奇遇记》：主人公汤普金斯先生来到一座奇异的城市，由于这城市里的光速异乎寻常地小，当他骑自行车以接近光速的高速行驶时，发现周围一切都