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1、1234是否对所有的参考系是否对所有的参考系形式都一样？形式都一样？基本量：长度和时间的测量基本量：长度和时间的测量牛顿力学的回答：在任何惯性系中观察，同一力学现象牛顿力学的回答：在任何惯性系中观察，同一力学现象将按同样的形式发生和演变。将按同样的形式发生和演变。牛顿相对性原理、力学相对性原理、伽利略不变性牛顿相对性原理、力学相对性原理、伽利略不变性5重要结论：重要结论：只能确定两个惯性系的相对运动速度，谈论某只能确定两个惯性系的相对运动速度，谈论某一惯性系的绝对运动（绝对静止）是没有意义的一惯性系的绝对运动（绝对静止）是没有意义的。绝对空间绝对空间：长度的量度与参考系无关。长度的量度与参考系

2、无关。绝对时间绝对时间：时间的量度与参考系无关。时间的量度与参考系无关。牛顿牛顿绝对时空观绝对时空观宏观低速物体的力学规律在任何惯性系中形式相同宏观低速物体的力学规律在任何惯性系中形式相同力学相对性原理力学相对性原理6在两个惯性系中考察同一物理事件。设惯性系在两个惯性系中考察同一物理事件。设惯性系S和相对和相对S运动的惯性系运动的惯性系S，两参考系中的时钟结构两参考系中的时钟结构完全相同、校好而且是同步完全相同、校好而且是同步的，物体到达的，物体到达P点点指示的时指示的时间分别为间分别为t、t(两系原点重合两系原点重合时为计时零点）时为计时零点）,yoPoS uxxuSyz z) z , y,

3、 x()z ,y,x(7由由绝对时空观，绝对时空观，正变换正变换utxxyy zz tt 逆变换逆变换ttzzyyt uxxyoPoS uxxuSyz z) z , y, x()z , y,x(伽利略坐标变换伽利略坐标变换分别对三个方向的分量对时间求导，可得分别对三个方向的分量对时间求导，可得zzyyxxv v,v v,uv vuv v（伽利略速度变换）伽利略速度变换）a a8在牛顿力学中，质点的质量和运动的速度无关，力只跟在牛顿力学中，质点的质量和运动的速度无关，力只跟质点的相对位置或相对运动有关，且都与参考系无关。在质点的相对位置或相对运动有关，且都与参考系无关。在S系中，如果系中，如果a

4、mF那么，在那么，在S系中，则系中，则mm,FFdt pddt) vm(d amF即即牛顿定律同样成立。牛顿定律同样成立。牛顿绝对时空观牛顿绝对时空观牛顿相对性原理牛顿相对性原理9 电磁场方程组不服从伽利略变换电磁场方程组不服从伽利略变换(对不同的惯性系有不对不同的惯性系有不同的形式）。同的形式）。光速光速C。根据伽利略变换，在两个不同的参考系根据伽利略变换，在两个不同的参考系S、S中测光速，有中测光速，有uc c而由而由麦克斯韦电磁场理论麦克斯韦电磁场理论s/m.c800109921 1000 ,与与参考系选取无关，故参考系选取无关，故c应在任何参考系中都相等。应在任何参考系中都相等。188

5、7年，为年，为迈克尔逊迈克尔逊-莫莱实验莫莱实验证实。证实。高速运动的粒子。高速运动的粒子。伽利略变换（绝对时空观）不正确？伽利略变换（绝对时空观）不正确？电磁现象的基本规律不符合相对性原理？电磁现象的基本规律不符合相对性原理？1118871887年，迈克尔逊年，迈克尔逊- -莫雷实验莫雷实验如图，由光源如图，由光源S S发出波长为发出波长为的光，入的光，入射到半透镜片射到半透镜片G G后，一部分光线反射到平面后，一部分光线反射到平面镜镜M2M2，形成光线形成光线，光线，光线再由镜再由镜M2M2反射反射回来，透过回来，透过G G到达望远镜到达望远镜T T；另一部分光线另一部分光线则透过则透过G

6、 G，形成光线形成光线，光线，光线再由镜再由镜M1M1反反射到达射到达G G，经经G G反射到达反射到达T T。假定假定GM1GM1和和GM2GM2的长度均为的长度均为L L，且且M1M1和和M2M2之间不严格垂直，那么，在望远镜的目镜中之间不严格垂直，那么，在望远镜的目镜中将看到干涉条纹。将看到干涉条纹。实验过程是，将该装置旋转一圈实验过程是，将该装置旋转一圈360360度度 。实验结果是，望远镜中没有看到干涉。实验结果是，望远镜中没有看到干涉条纹的移动。条纹的移动。12意义：意义：相对于牛顿相对性原理，适用范围从仅适用于力学现象相对于牛顿相对性原理，适用范围从仅适用于力学现象扩展到适用于所

7、有物理现象（包括电磁现象）；扩展到适用于所有物理现象（包括电磁现象）；排除了绝对运动（静止）的概念（在任何一个惯性系内，排除了绝对运动（静止）的概念（在任何一个惯性系内，任何物理实验都不能用来确定本参考系的运动速度）。任何物理实验都不能用来确定本参考系的运动速度）。19051905年，年，论动体的电动力学论动体的电动力学，爱因斯坦：，爱因斯坦：物理规律对所有的惯性系都是一样的，不存在任何一个特物理规律对所有的惯性系都是一样的，不存在任何一个特殊的（如殊的（如“绝对静止绝对静止”的）惯性系。的）惯性系。1爱因斯坦相对性原理爱因斯坦相对性原理13光速不变原理光速不变原理爱因斯坦相对性原理爱因斯坦相

8、对性原理+狭义相对论狭义相对论伽利略伽利略变换变换洛仑兹洛仑兹变换变换在任何惯性系中，光在真空中的速率都相等。在任何惯性系中，光在真空中的速率都相等。2光速不变原理光速不变原理14 狭义相对论在狭义相对论在观念上的变革：观念上的变革：牛顿力学牛顿力学时间标度时间标度长度标度长度标度质量的测量质量的测量与参考系无关与参考系无关速度与参考系有关速度与参考系有关( (相对性相对性) )狭义相对狭义相对论力学论力学光速不变光速不变长度长度 时间时间 质量质量与参考系有关与参考系有关( (相对性相对性) )15爱因斯坦从爱因斯坦从1616岁开始的岁开始的1010年中思考年中思考的问题：的问题：何为时间？

9、何为时间？结论：结论：时间的量度是相对的时间的量度是相对的，在不，在不同参考系中先后两事件之间的时间间隔同参考系中先后两事件之间的时间间隔不同。不同。16假设一列很长的火车在沿平直轨道飞快地匀速行驶。车假设一列很长的火车在沿平直轨道飞快地匀速行驶。车厢中央有一个光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁厢中央有一个光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁，这是两个事件。车上的观察者认为两个事件是同时和后壁，这是两个事件。车上的观察者认为两个事件是同时的。在他看来这很好解释，因为车厢的。在他看来这很好解释，因为车厢是个惯性系，光向前、后传播的速度是个惯性系，光向前、后传播的速度相同，光源又在

10、车厢的中央，闪光当相同，光源又在车厢的中央，闪光当然会同时到达前后两壁。然会同时到达前后两壁。 车下的观察者则不然。他观测到，车下的观察者则不然。他观测到，闪光先到达后壁，后到达前壁。闪光先到达后壁，后到达前壁。 反过来，把火车、光源放在地面参考系中，则在运动的惯反过来，把火车、光源放在地面参考系中，则在运动的惯性系中也可观察到在地面同时发生的这两件事也不同时了。性系中也可观察到在地面同时发生的这两件事也不同时了。17沿两个惯性系相对运动方向发生的两个事件，在其中一个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，则总是惯性系中表现为同时的，在另一惯

11、性系中观察，则总是在前一在前一惯性系运动的后方那一事件先发生惯性系运动的后方那一事件先发生。也就是说，对不同的参考系，沿相对速度方向配置的同样也就是说，对不同的参考系，沿相对速度方向配置的同样的两个事件之间的时间间隔是不同的。的两个事件之间的时间间隔是不同的。时间的量度是相对的时间的量度是相对的18经典物理学认为，某两个事件，在不同的惯性系中观察，经典物理学认为，某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们发生的时间差，也就是它们的时间间隔，总是相同的。它们发生的时间差，也就是它们的时间间隔，总是相同的。但是，从狭义相对论的两个基本假设出发，我们可以看到，但是，从狭义相对论的两个基本假设出发，我们可

12、以看到，时间间隔是相对的。时间间隔是相对的。 仍以高速火车为例，仍以高速火车为例，假设车厢地板上有一个光假设车厢地板上有一个光源，发出一个闪光。对于源，发出一个闪光。对于车上的人来说，闪光到达车上的人来说，闪光到达光源正上方光源正上方h h高处的小镜高处的小镜后被反射，回到光源的位后被反射，回到光源的位置（如图甲），往返所用置（如图甲），往返所用的时间为的时间为tt。 19ch t2 对于地面的观察者来说，情况有对于地面的观察者来说，情况有所不同。从地面上看，在光的传播过所不同。从地面上看，在光的传播过程中，火车向前运动了一段距离，因此被小镜反射后又被光源接程中，火车向前运动了一段距离，因此被

13、小镜反射后又被光源接收的闪光是沿路径收的闪光是沿路径AMBAMB传播的光（图乙）。如果火车的速度为传播的光（图乙）。如果火车的速度为v，地地面观察者测得的闪光从出发到返回光源所用时间记为面观察者测得的闪光从出发到返回光源所用时间记为t t，那么应那么应用勾股定理可得用勾股定理可得22222tchtv 这里用到了相对论的第二个假设，即对地面参考系来说，光这里用到了相对论的第二个假设，即对地面参考系来说，光速也是速也是c c。以上两式消去以上两式消去h可得可得 20221c/u tt 固有时：固有时：在某一在某一参考系中同一地点先后发生的两个事件参考系中同一地点先后发生的两个事件之间的时间间隔。之

14、间的时间间隔。固有时最短固有时最短时间延缓时间延缓 tt 21更严格的推导表明，更严格的推导表明，式具有普遍意义，它意味着，从地面上观式具有普遍意义，它意味着，从地面上观察，火车上的时间进程变慢了，由于火车在运动，车上的一切物理、化学察，火车上的时间进程变慢了，由于火车在运动，车上的一切物理、化学过程和生命过程都变慢了：时钟走得慢了，化学反应慢了，甚至人的新陈过程和生命过程都变慢了：时钟走得慢了，化学反应慢了，甚至人的新陈代谢也变慢了代谢也变慢了可是车上的人自己没有这种感觉，他们反而认为地面上可是车上的人自己没有这种感觉，他们反而认为地面上的时间进程比火车上的慢，因为他们看到，地面正以同样的速

15、度朝相反的的时间进程比火车上的慢，因为他们看到，地面正以同样的速度朝相反的方向运动！方向运动！ 讨论：讨论：221c/u tt 当当uc时，时， tt ，时间间隔与参考系无关，牛顿时间间隔与参考系无关，牛顿绝对时间概念。绝对时间概念。即：牛顿绝对时间概念是相对论时间概念在参考系的相即：牛顿绝对时间概念是相对论时间概念在参考系的相对速度很小时的近似。对速度很小时的近似。22在这里我们将要说明，高速火车上的在这里我们将要说明，高速火车上的一个杆，当它的方向和运动方向平行时，一个杆，当它的方向和运动方向平行时，地面上的人测得的杆长要小于火车上的地面上的人测得的杆长要小于火车上的人测得的杆长！人测得的

16、杆长！假设一个杆沿着车厢运动的方向固定在假设一个杆沿着车厢运动的方向固定在火车上，和车一起运动火车上，和车一起运动. .在火车上的人看来，在火车上的人看来，杆是静止的。他利用固定在火车上的坐标轴，测出杆两端的位置坐标，杆是静止的。他利用固定在火车上的坐标轴，测出杆两端的位置坐标，坐标之差就是他测出的杆长坐标之差就是他测出的杆长L L。地面上的人要利用固定在地面上的坐地面上的人要利用固定在地面上的坐标轴，测出杆两端的位置坐标，坐标之差就是他测出的杆长标轴，测出杆两端的位置坐标，坐标之差就是他测出的杆长L L. .可是，可是，对于地面上的人，杆是运动的，要使这种测量有意义，他必须同时测对于地面上的

17、人，杆是运动的，要使这种测量有意义，他必须同时测出杆两端的位置坐标；如果在某一时刻测出杆一端的位置坐标，在另出杆两端的位置坐标；如果在某一时刻测出杆一端的位置坐标，在另一时刻测出另一端的位置坐标，坐标之差就不能代表杆长了。一时刻测出另一端的位置坐标，坐标之差就不能代表杆长了。23火车上的人和地面上的人火车上的人和地面上的人各自用上述方法测量随车运各自用上述方法测量随车运动的杆长，结果发现，动的杆长，结果发现，LL. .他们两人的测量都是符他们两人的测量都是符合测量要求的，但测量结果合测量要求的，但测量结果不同，这跟同时的相对性有关不同，这跟同时的相对性有关. .地面上的人认为同时的两个地面上的

18、人认为同时的两个事件（同时对事件（同时对A、B两端读数），火车上的人认为不是同时两端读数），火车上的人认为不是同时的的. .火车上的人认为，地面上的人对火车上的人认为，地面上的人对B B端的读数早些，对端的读数早些，对A A端端的读数迟些，在这个时间内杆向前运动了一段距离，因而的读数迟些，在这个时间内杆向前运动了一段距离，因而地面上的人测得的杆长比较短地面上的人测得的杆长比较短. .通过严格的数学推导可以得通过严格的数学推导可以得到，到，L和和L L之间有如下关系：之间有如下关系：221c/u ll24因此因此, LL 长度收缩长度收缩固有长（静长）：棒静止时测得的它的长度。固有长（静长）：棒静止时测得的它的长度。固有长最长固有长最长当时，牛顿绝对空间概念。牛顿绝对当时，牛顿绝对空间概念。牛顿绝对空间概念是相对论空间概念在相对速度很小时的近似。空间概念是相对论空间概念在相对速度很小时的近似。cu ll 25221c/uutx x,y y z z 2221c/uxcut t26按照牛顿力学，物体的质量是不变的，因此一定的力作按照牛顿力学，物体的质量是不变的，因此一定的力作用在物体上