《电动力学》课程教学课件（PPT讲稿）狭义相对论-2（相对论的基本原理——洛伦兹变换）

§2 相对论的基本原理 洛伦兹变换

1 §2 相对论的基本原理 洛伦兹变换

1,相对论的基本原理 两条基本假设，爱因斯坦 (（Einstein)在总结新的 实验事实之后提出。 2

2 两条基本假设，爱因斯坦 （Einstein）在总结新的 实验事实之后提出。 1. 相对论的基本原理

(1)相对性原理 所有惯性参考系都是等价的。物理规律对于 所有惯性参考系都可以表为相同形式。也就 是不论通过力学现象，还是电磁现象，或其 他现象，都无法觉察出所处参考系的任何 “绝对运动”。 相对性原理是被大量实验事实所精确检验过 的物理学基本原理。 3

3 相对性原理是被大量实验事实所精确检验过 的物理学基本原理。 （1）相对性原理 所有惯性参考系都是等价的。物理规律对于 所有惯性参考系都可以表为相同形式。也就 是不论通过力学现象，还是电磁现象，或其 他现象，都无法觉察出所处参考系的任何 “绝对运动”

(2)光速不变原理 真空中的光速相对于任何惯性系沿任一方 向恒为心，并与光源运动无关。 4

4 （2）光速不变原理 真空中的光速相对于任何惯性系沿任一方 向恒为c，并与光源运动无关

相对论的基本假设是和旧时空概念矛盾的。 旧时空概念是从低速力学现象抽象出来的， 集中反映在关于惯性坐标系的伽利略 （Galileo)变换中。设惯性系Σ'相对于Σ以 速度ω运动，并选和x轴沿运动方向，伽利 略变换式为 x=x-0t, 反映的时空观的特征是时间与 y=y, 空间的分离。时间在宇宙中均 Z=7) 匀流逝着，而空间好象一个容 器，两者之间没有联系，也不与 t =t. 物质运动发生关系。 5

5 相对论的基本假设是和旧时空概念矛盾的。 旧时空概念是从低速力学现象抽象出来的, 集中反映在关于惯性坐标系的伽利略 （Galileo）变换中。设惯性系´相对于以 速度运动,并选x和x´轴沿运动方向，伽利 略变换式为 . , , , ' ' ' ' t t z z y y x x t = = = = − 反映的时空观的特征是时间与 空间的分离。时间在宇宙中均 匀流逝着，而空间好象一个容 器,两者之间没有联系，也不与 物质运动发生关系

在低速现象中还没有暴露出这种观点的错误，但是在高速现 象中旧时空观与客观实际的矛盾立即显示出来。光速不变性 与旧时空观矛盾的性质可以用一个简单例子说明。 如图，设有一光源和一 些接收仪器，我们在惯 性系Σ观察闪光的发射 和接收。取光源发出闪 光时刻所在点为的原 点0。在Σ上观察，1秒 之后光波到达半径为c 的球面上，这时处于球 面上的一些接收器（图 中的P1、P2和P等)同 时接收到光讯号。这球 面是一个波阵面。 6

6 如图，设有一光源和一 些接收仪器，我们在惯 性系观察闪光的发射 和接收。取光源发出闪 光时刻所在点为的原 点O。在上观察，1秒 之后光波到达半径为c 的球面上，这时处于球 面上的一些接收器(图 中的P1、P2和P等)同 时接收到光讯号。这球 面是一个波阵面。 在低速现象中还没有暴露出这种观点的错误，但是在高速现 象中旧时空观与客观实际的矛盾立即显示出来。光速不变性 与旧时空观矛盾的性质可以用一个简单例子说明

再考察在另一惯性参考系Σ'上对所发 生的物理事件是怎样描述的。 设Σ'相对于Σ以速度D沿c轴方向 运动，并取光源发光时刻所在点 ∑1 为原点0'。即在光源发光时刻， 两参考系∑和∑的原点0和0重 合。当接收器接收到光波时，0 已经离开0。当P接收到讯号时， 0‘距P较近，而距P2较远。但 P 由于Σ'上所测量的光速仍然是c, 因此∑‘上的观察者必然认为，光 波到达P的时刻必然较早于到达 P2的时刻。 7

7 设´相对于以速度沿x轴方向 运动，并取光源发光时刻所在点 为原点O´。即在光源发光时刻， 两参考系和´的原点O和O´重 合。当接收器接收到光波时，O´ 已经离开O。当P1接收到讯号时， O´距 P1较近，而距P 2 较远。但 由于´上所测量的光速仍然是c， 因此´上的观察者必然认为，光 波到达P1的时刻必然较早于到达 P2的时刻。 再考察在另一惯性参考系 ´上对所发 生的物理事件是怎样描述的

原来在Σ上观察到同时发生的两事件 (P和P2同时接收到光波)，在Σ上 看来就变为不同时。原来在上看到的 波阵面是球面PPP2,而在Σ上看来， 由于光波不是同时到达此面上，因此波 阵面不再是PPP2面，而是另外一个以 O为球心的球面。 8

8 原来在上观察到同时发生的两事件 （P1和P2同时接收到光波），在´上 看来就变为不同时。原来在上看到的 波阵面是球面P1PP2，而在´上看来， 由于光波不是同时到达此面上，因此波 阵面不再是P1PP2面，而是另外一个以 O 为球心的球面

可以看出，光速不变性所导致的时 空概念是和经典时空观有深刻矛盾的。 所有最基本的时空概念，如同时性，距 离，时间，速度等都要根据新的实验事 实重新加以探讨。 相对论的一个主要内容就是 关于时空的理论。 9

9 可以看出，光速不变性所导致的时 空概念是和经典时空观有深刻矛盾的。 所有最基本的时空概念，如同时性，距 离，时间，速度等都要根据新的实验事 实重新加以探讨。 相对论的一个主要内容就是 关于时空的理论

时间和空间是运动着的物质存在形式。时空 概念是从物质运动中抽象出来的，而不是独立于 物质运动之外的概念。离开物质及其运动，就没 有所谓绝对的时空概念。 在经典力学中，由低速现象抽象出来的时空 观带有一定局限性，当我们研究高速现象特别是 电磁波传播现象时，发现旧时空观与实验事实相 矛盾，这是完全可以理解的。人们对时空的认识 和对一切事物的认识一样，都是在不断的实践中 逐步发展和加深的。 10

10 时间和空间是运动着的物质存在形式。时空 概念是从物质运动中抽象出来的，而不是独立于 物质运动之外的概念。离开物质及其运动，就没 有所谓绝对的时空概念。 在经典力学中，由低速现象抽象出来的时空 观带有一定局限性，当我们研究高速现象特别是 电磁波传播现象时，发现旧时空观与实验事实相 矛盾，这是完全可以理解的。人们对时空的认识 和对一切事物的认识一样，都是在不断的实践中 逐步发展和加深的