伽利略变换关系牛顿的绝对时空观.ppt

4 – 1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观 一一 伽利略变换式伽利略变换式 经典力学的相对性原理经典力学的相对性原理 对于任何惯性参照系对于任何惯性参照系 , 牛顿力学的规律都具有牛顿力学的规律都具有相同的形式相同的形式 . 这就是经典力学的相对性原理这就是经典力学的相对性原理 . 相对于不同的参考系相对于不同的参考系 , 经典力学定律的形式是经典力学定律的形式是完全一样的吗完全一样的吗 ？？牛顿力学的回答牛顿力学的回答:明确研究的问题明确研究的问题: 事件事件：某一时刻发生在某一空间位置的事例某一时刻发生在某一空间位置的事例 例如：车的出站、进站，火箭的发射，导弹的例如：车的出站、进站，火箭的发射，导弹的 爆炸，部队的出发，总攻的发起，城市的攻占爆炸，部队的出发，总攻的发起，城市的攻占 在坐标系中，一个事件对应于一组时空坐标在坐标系中，一个事件对应于一组时空坐标.两组时空坐标之间的关系称为两组时空坐标之间的关系称为坐标变换坐标变换在两个惯性系（实验室参考系在两个惯性系（实验室参考系S与运动参考系与运动参考系S'））中考察中考察同一物理事件同一物理事件两个参考系两个参考系（约定系统）（约定系统）重合时，重合时，计时开始。

计时开始 如图，如图，S，，S'相应坐相应坐标轴保持平行，标轴保持平行，X，，X' 轴重合，轴重合， S' 相对相对 S 以以速度速度 u 沿轴作匀速直沿轴作匀速直线运动线运动事件：事件： t 时刻，物体到达时刻，物体到达 P 点点伽利略变换伽利略变换变换分量式变换分量式速度变换速度变换正变换正变换逆变换逆变换加速度变换加速度变换正正逆逆惯性系惯性系在两个惯性系中在两个惯性系中同一质点在两个不同惯性系中的加速度总是相同的同一质点在两个不同惯性系中的加速度总是相同的牛顿力学中：牛顿力学中：相互作用是客观的，力与参考系无关相互作用是客观的，力与参考系无关质量的测量与运动无关质量的测量与运动无关据伽利略变换据伽利略变换伽利略相对性原理伽利略相对性原理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或或 牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变或或 牛顿力学规律是伽利略不变式牛顿力学规律是伽利略不变式如：动量守恒定律如：动量守恒定律据伽利略变换，可得到经典时空观据伽利略变换，可得到经典时空观（（1）同时的绝对性）同时的绝对性在同一参照系中，两个事件同时发生在同一参照系中，两个事件同时发生据伽利略变换，在另一参照系中，据伽利略变换，在另一参照系中，在其他惯性系中，两个事件也一定同时发生。

在其他惯性系中，两个事件也一定同时发生同时的绝对性同时的绝对性2.2.经典力学时空观经典力学时空观经典力学时空观经典力学时空观（（2）时间间隔的测量是绝对的）时间间隔的测量是绝对的在同一参照系中，两个事件先后发生，其间隔为在同一参照系中，两个事件先后发生，其间隔为在其他惯性系中，两个事件的时间间隔不变在其他惯性系中，两个事件的时间间隔不变时间间隔的绝对性时间间隔的绝对性据伽利略变换，据伽利略变换， 在另一参照系中，在另一参照系中，（（3）长度测量的绝对性）长度测量的绝对性 当杆的方向沿轴方向时，长当杆的方向沿轴方向时，长度是杆的两端的坐标差，但必须度是杆的两端的坐标差，但必须同时测量同时测量静止系中可不同时测静止系中可不同时测运动系中同时测运动系中同时测运动系中不同时测运动系中不同时测静止系中，杆的长度为静止系中，杆的长度为运动系中，杆的长度为运动系中，杆的长度为据伽利略变换据伽利略变换长度测量是绝对的长度测量是绝对的运动系中同时测运动系中同时测运动系中不同时测运动系中不同时测静止系中，杆的长度为静止系中，杆的长度为运动系中，杆的长度为运动系中，杆的长度为据伽利略变换据伽利略变换长度测量是绝对的。

长度测量是绝对的 绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无关关 , 长度和时间的测量是绝对的长度和时间的测量是绝对的.牛顿的绝对时空观牛顿的绝对时空观牛顿力学的相对性原理牛顿力学的相对性原理二二 经典力学的绝对时空观经典力学的绝对时空观注注 意意 牛顿力学的相对性原理，在宏观、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低速的范围内，是与实验结果相一致的 . 实践已证明实践已证明 , 绝对时空观是不正确的绝对时空观是不正确的. 经典力学认为质量是和运动无关的常量所以：经典力学认为质量是和运动无关的常量所以：在经典力在经典力学中，长度、时间及质量都和运动无关，是个不变量学中，长度、时间及质量都和运动无关，是个不变量1) 1) 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2) 2) 光速光速c c是常量是常量————不论从哪个参考系中测量不论从哪个参考系中测量 迈克耳逊迈克耳逊——莫雷（莫雷（Michelson—MorlegMichelson—Morleg））实验实验 以伽利略变换为基础来观测地球上各个方上光速的以伽利略变换为基础来观测地球上各个方上光速的差异。

由于地球自转，据伽利略变换，地球上各个方向差异由于地球自转，据伽利略变换，地球上各个方向上光速是不同的，在随地球公转的干涉仪中应可观测到上光速是不同的，在随地球公转的干涉仪中应可观测到条纹的移动条纹的移动 迈克耳逊迈克耳逊——莫雷实验没有观测到预期的条纹移动，莫雷实验没有观测到预期的条纹移动，称为称为零结果零结果，说明光速不变说明光速不变牛顿力学的困难牛顿力学的困难 对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式是对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式是一样的吗一样的吗 ？？真空中的光速真空中的光速 对于两个不同的对于两个不同的惯性参考系惯性参考系 , 光速满光速满足伽利略变换吗足伽利略变换吗 ？？ 是否可以借助于光学实验的手段来发现相对是否可以借助于光学实验的手段来发现相对于以太的运动呢？于以太的运动呢？1、绝对静止参照系、绝对静止参照系 以太以太三、关于光速的一些研究三、关于光速的一些研究 经典电磁理论认为光是在一种称为以太的介经典电磁理论认为光是在一种称为以太的介质中传播的质中传播的 把以太选作为绝对静止的参照系。

相对于以太把以太选作为绝对静止的参照系相对于以太的运动称作为绝对运动的运动称作为绝对运动 根据力学相对性原理，任何惯性系都是等价根据力学相对性原理，任何惯性系都是等价的，无法借助于力学实验的手段来确定惯性系自的，无法借助于力学实验的手段来确定惯性系自身的运动状态身的运动状态发现绝对运动的实验设想发现绝对运动的实验设想.AB以太海以太海以太参照系以太参照系u光信号光信号光在以太中的速度是光在以太中的速度是根据伽利略速度变换根据伽利略速度变换c,光向光向A传播速度为传播速度为光向光向B传播速度为传播速度为cu+cu在车上的观察者认为：在车上的观察者认为：所以：所以：B先接受先接受 到光信号到光信号+cucu车厢中点车厢中点 900 多年前（公元多年前（公元1054年年5月）一次著名的月）一次著名的超新星超新星爆发爆发，， 这次爆发的残骸形成了著名的金牛星座的蟹状这次爆发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星云北宋天文学家记载从公元 1054年 ~ 1056年均能均能用肉眼观察用肉眼观察, 特别是开始的特别是开始的 23 天天, 白天也能看见白天也能看见 .物质飞散速度物质飞散速度l = 5000 光年光年AB 当一颗恒星在发生超新星爆发时当一颗恒星在发生超新星爆发时, 它的外围物质向它的外围物质向四面八方飞散四面八方飞散, 即有些抛射物向着地球运动即有些抛射物向着地球运动, 现研究超现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问新星爆发过程中光线传播引起的疑问 .实际持续时间约为实际持续时间约为 22 个月个月, 这怎么解释这怎么解释 ?理论计算观察到超新性爆发的强光的时间持续约理论计算观察到超新性爆发的强光的时间持续约l = 5000 光年光年物质飞散速度物质飞散速度AB A 点光线到达点光线到达地球所需时间地球所需时间B 点光线到达点光线到达地球所需时间地球所需时间 迈迈克克尔孙尔孙 — 莫雷实验莫雷实验 为了测量地球相对于为了测量地球相对于“以太以太”的运动的运动 , 1881年年迈克尔孙用他自制的干涉仪进行测量迈克尔孙用他自制的干涉仪进行测量, 没有结果没有结果 . 1887年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验,仍得到零结果仍得到零结果, 即即未观测到地球相对未观测到地球相对“以太以太”的的运运动动 .GM1M2TG M1 GG M2 GG M2M2 GM2M1GT设设“以太以太”参考系为参考系为S系，实验室为系，实验室为 系系（从（从 系看）系看） 人们为维护人们为维护“以太以太”观念作了种种努力，观念作了种种努力， 提出了提出了各种理论各种理论 ，但这些理论或与天文观察，或与其它的实，但这些理论或与天文观察，或与其它的实验相矛盾，最后均以验相矛盾，最后均以失败失败告终告终 .仪器可测量精度仪器可测量精度 实验结果实验结果 未未观察到地球相对于观察到地球相对于“以太以太”的运动的运动. 4 - 2 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 爱因斯坦的爱因斯坦的哲学观念：哲学观念：自然自然界应当是和谐而简单的界应当是和谐而简单的. 理论特色：理论特色：出于简单而归于出于简单而归于深奥深奥.Albert Einstein ( 1879 – 1955 ) 20世纪最伟大的物理学家世纪最伟大的物理学家, 于于1905年和年和1915年先后创立了狭义年先后创立了狭义相对论和广义相对论相对论和广义相对论, 他于他于1905年提出了光量子假设年提出了光量子假设, 为此他于为此他于1921年获得诺贝尔物理学奖年获得诺贝尔物理学奖, 他他还在量子理论方面具有很多的重要还在量子理论方面具有很多的重要的贡献的贡献 .一　狭义相对论的基本原理一　狭义相对论的基本原理 1））爱因斯坦相对性原理：物理定律在爱因斯坦相对性原理：物理定律在所有所有的的惯性系中都具有相同的表达形式惯性系中都具有相同的表达形式 . 2））光速不变原理：光速不变原理： 真空中的光速是常量，它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与光源或观察者的运动无关，即不依赖于惯性系的选择选择. 关键概念：相对性和不变性关键概念：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所有的惯性参考系都是等价的 . 伽利略变换与伽利略变换与狭义相对论的基本原理不符狭义相对论的基本原理不符 .说明同时具有相对性，时间的量度是相对的说明同时具有相对性，时间的量度是相对的 . 和和光速不变光速不变紧密联系在一起的是：在某一惯性系紧密联系在一起的是：在某一惯性系中中同时同时发生的两个事件，在相对于此惯性系运动的另发生的两个事件，在相对于此惯性系运动的另一惯性系中观察，并一惯性系中观察，并不一定是同时不一定是同时发生的发生的 . 长度长度的测量是和的测量是和同时性同时性概念密切相关概念密切相关.4 – 3 洛伦兹变换洛伦兹变换一、　洛伦兹变换式一、　洛伦兹变换式* 设设 ：： 时，时， 重合重合 ; 事件事件 P 的时空的时空坐标如图所示坐标如图所示 .正正变变换换逆逆 变变 换换 光速光速在在任何任何惯性惯性系中均为同一系中均为同一常量常量 ，，利用它将时间测量与利用它将时间测量与距离测量联系起来距离测量联系起来 .*1）） 与与 成线性关系，但比例系数成线性关系，但比例系数 .2）） 时间不独立，时间不独立， 和和 变换相互交叉变换相互交叉. 3）） 时，洛伦兹变换时，洛伦兹变换 伽利略变换。

伽利略变换 洛伦兹变换洛伦兹变换特点特点 意义：意义：基本的物理定律应该在基本的物理定律应该在洛伦兹变换洛伦兹变换下保下保持持不变不变 . 这种不变显示出物理定律对匀速直线运动这种不变显示出物理定律对匀速直线运动的对称性的对称性 —— 相对论对称性相对论对称性 .。