2025高中物理强基计划（培优特训）第13讲 相对论 .pdf

高中物理强基计划-第13部分-相对论

绝对的、真实的和数学的时间，尤其特性决定，自身均

匀地流逝，与一切外在事物无关。

绝对空间，其自身特性与一切外在事物无关，处处均匀，

永不移动。

——《自然哲学之数学原理》牛顿

空间本身和时间本身将消失在完全的阴影中，只有它们

之间的某种结合才将得以生存。

——闵可夫斯基

19世纪中叶，麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁理，即麦克斯韦

电磁场方程组。麦克斯韦电磁理不但能够解释当时已知的电磁现象，而且预言了电磁波的存在，确

认光是波长较短的电磁波，电磁波在真空中的传播速度为一常数c=3.0X10om/s,并很快为实验所证实。

从麦氏方程组中解出的光在真空中的传播速度与光源的速度无关。如果光波也和声波一样，是靠

一种媒质(以太)传播的，那么光速相对于绝对静止的以太就应该是不变的。科学家们为了寻找以太

做了大量的实验，其中以美国物理学家迈克耳孙和莫雷实验最为著名。这个实验不但没能证明以太的

存在，相反却宣判了以太学说的死刑，证明光速相对于地球是各向同性的。但是这却与经典的运动学

理相矛盾。

为了调和理与实验的矛盾，爱因斯坦分析了物理学的发展，特别是电磁理，摆脱了绝对时空

观的束缚提出了“狭义相对〃O

1、狭义相对的基本原理

1.狭义相对的两条基本原理

(1)相对性原理：所有惯性系都是平权的。在不同惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。即不

能通过任何物理实验判断出所处惯性参考系的“绝对运动”O

⑵光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的(c=3X10°m/s),与光源、观

察者的运动无关。

2.异地同时性破坏

这两条原理的贯彻，特别是〃光速不变原理〃，对于我们看待时间、空间的看法有着革命性的影响。

我们先来看一个例子：

例如在某个站台的两端A、B设置管信号的发射器，我们希望它们同时闪光，可以预先用尺量

出站台的中点C,并在C点设置接收器。如果C点的接收器同时接收到A、B发来的光信号(同一

位置的同时性是很容易确定的)，由于C到A、B的距离相同，光速又相同，我们就可以断言A、B

同时发出了光信号

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如果恰好有一列火车它的车头和车尾分别记为A和B，o列车沿着BTA方向驶来。为了确定

AA点重合与B，B点重合是否同时发生，我们可以在列车上设置机关，使A与A、B与B相遇时

分别发出闪光。只要闪光同时到达C,就可以确认两个相遇事件同时发生。

这种检验异地同时性的方法对所有惯性系都是成立的。在列车上的观察者也会主张只有上述的

光信号同时到达列车的中点C,两次相遇才是同时的。可是由于列车的中点C向着A行驶，所以

它将先接收到来自AA的闪光。在地面上观察这是很正常的，因为光从A遇到C所运行的距离小

于光从B追上C所运行的距离，光速又相同，所以C自然先收到来自AA的闪光。然而车上的观

察者认为两边闪光运行的距离相同，光速也相同，C先收到来自NA的闪光的唯一解释只能是

AA的相遇事件发生在前。这就是说在列车上观察两次相遇不是同时发生的，A与A先相遇然后

B，与B相遇！

上面这个例子说明在不同的参照系中人们对时间的描述也是不同的。在一个参照系里看来同时发生

的事件在别的参照系里看来就变成不同时发生的了。时刻、时间的概念不再是脱离参照系独立存在

的了。我们常说的：①“A与B相遇的瞬间(时刻)〃，②“A与B相遇到A与C相遇的过程中(时

间)”都变得不再有意义。因为它们没有提