伽利略变换关系 牛顿的绝对时空观(已阅)

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1、第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-11第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-12教学基本要求教学基本要求一 理解爱因斯坦狭义相对论的两条基本原 理，以及在此基础上建立起来的洛伦兹变换式.二 理解狭义相对论中同时的相对性，以及长 度收缩和时间延缓的概念，了解牛顿力学的时 空观和狭义相对论的时空观以及二者的差异.三 了解狭义相对论中质量、动量与速度的关 系，以及质量与能量间的关系.第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-1前言：相对论产生的历史背景和物理基础形成三大理论体系1.机械运动：以牛顿定律和万有引力定律为基础的经典力学2.电磁运动： 以麦克斯韦方程组为基础的经典电磁学3.热运动： 以热力

2、学定律为基础的宏观理论(热力学)以分子运动为基础的微观理论(统计物理学)经典物理：伽利略时期 19世纪末经过300年发展，到达全盛的“黄金时代”第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-1物理学家感到自豪而满足，两个事例：在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理 学家只要做一些零碎的修补工作就行了。也就 是在测量数据的小数点后面添加几位有效数字 而已。 开尔芬（1899年除夕）理论物理实际上已经完成了，所有的微分 方程都已经解出，青年人不值得选择一种将来 不会有任何发展的事去做。约利致普朗克的信第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-1三大发现： 1. 电子：1894年，英国，汤姆孙因气体导电理论获19

3、06年诺贝尔物理奖2.X射线：1895年，德国，伦琴1901年获第一个诺贝尔物理奖3.放射性：1896年，法国，贝克勒尔发现铀，居里夫 妇发现钋和镭，共同获得1903年诺贝尔物理奖物理学还存在许多未知领域，有广阔的发展前景。两朵乌云： 1. 迈克尔孙 莫雷实验的“零结果”2. 黑体辐射的“紫外灾难”实验结果与 理论不符第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-1两朵乌云暴风骤雨20世纪初物理学危机物理学正在临产中，它孕育着的新理论将要诞生了 列宁 新理论：相对论、量子力学，深刻影响现代科技和人类生活 相对论的思想基础：对称性观念物理规律不因人（参考系）而异，参考系变换应该 是物理定律的对称操作。一

4、切惯性系对物理定律等价狭义相对论惯性系和非惯性系对物理定律等价广义相对论第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-1相对论并不神秘需要摆脱日常生活（低速领域）经验的 束缚，自觉地进行理性思维训练。对称性 扩展力学相对性原理狭义相对性原理广义相对性原理第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-1在上世纪初，发生了三次概念上的革命，它们深刻地改变了人们对物理世界的了解，这就是狭义相对论（1905）、广义相对论（1916）和量子力学（1925）。第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-191905 爱因斯坦奇迹年3月 提出光量子假说 4月 关于分子大小的测量 5月 关于布朗运动 6月论动体的电 动力学 9月

5、物体的惯性同它所 含的能量有关吗？导致 E = mc2第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-1102005“奇迹年”100周年爱因斯坦逝世50周年世界物理年12第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-1111、基本内容A A、力学相对性原理和伽利略变换力学相对性原理和伽利略变换B B、狭义相对论的基本假设狭义相对论的基本假设C C、狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观D D、洛仑兹坐标变换洛仑兹坐标变换E E、相对论的动力学问题相对论的动力学问题狭义相对论是一门关于时间、空间与物质运动之间关 系的理论，用新的时空观取代了牛顿的绝对时空观。 经典力学是相对论力学在vc条件下的近似。第十五章 狭义相

6、对论伽利略变换式15-1122、难点 * * 对狭义相对论的时空观的理解对狭义相对论的时空观的理解* * 运用洛仑兹变换求解运动学问题运用洛仑兹变换求解运动学问题3、学习本章的正确态度1) 1) 超越自我认识的局限超越自我认识的局限2) 2) 自觉摆脱日常生活经验的束缚自觉摆脱日常生活经验的束缚以事实为依据以事实为依据3) 3) 从基本假设出发进行推理从基本假设出发进行推理第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-113明确本章研究的问题: 在两个惯性系中考察同一物理事件通常：实验室参考系 定为S系运动参考系 定为S系注意不要和运动叠加原理的内容相混淆运动叠加问题只涉及同一个参考系第十五章 狭义相

7、对论伽利略变换式15-114相对论问题包括两个方面：1.物理规律与参考系无关相对性原理2.在两个参考系中对同一事件的描述形式不同 之间存在一个变换关系变换式变换式与相应的相对性原理相对应牛顿力学的相对性原理对应伽利略变换狭义相对性原理对应洛仑兹变换在基本观点明确的前提下 重要的是变换式第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-1151、伽利略变换一 伽利略变换式 经典力学的相对性原理两个惯性系：一物理事件： 质点到达 P 点两个惯性系的描述分别为：两个描述的关系称为变换第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-1161、伽利略变换一 伽利略变换式 经典力学的相对性原理两个惯性系：一物理事件： 质点到达

8、 P 点两个惯性系的描述分别为：两个描述的关系称为变换当 时与 重合*位置坐标变换公式经典力学认为：1）空间的 量度是绝对的，与参考系无关 ；2）时间的量度也是绝对的， 与参考系无关 .第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-1171、伽利略变换一 伽利略变换式 经典力学的相对性原理两个惯性系的描述分别为：两个描述的关系称为变换当 时与 重合*位置坐标变换公式经典力学认为：1）空间的 量度是绝对的，与参考系无关 ；2）时间的量度也是绝对的， 与参考系无关 .伽利略速度变换公式加速度变换公式在两相互作匀速直线运动的惯性 系中，牛顿运动定律具有相同的形式.第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-118

9、两个惯性系的描述分别为：两个描述的关系称为变换位置坐标变换公式经典力学认为：1）空间的 量度是绝对的，与参考系无关 ；2）时间的量度也是绝对的， 与参考系无关 .加速度变换公式在两相互作匀速直线运动的惯性 系中，牛顿运动定律具有相同的形式.2、 经典力学的相对性原理相对于不同的参考系 , 基本力学定律的形式是 完全一样的吗 ？牛顿力学的回答:力学定律在一切惯性系中数学形式不变力学相对性原理力学相对性原理第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-1192、 经典力学的相对性原理相对于不同的参考系 , 基本力学定律的形式是 完全一样的吗 ？牛顿力学的回答: 对于描述力学规律而言，一切惯性系都是平权的、

10、等价的。在一个惯性系中所做的任何力学实验，都不能判断该惯性系相对于其它惯性系的运动。力学定律在一切惯性系中数学形式不变力学相对性原理力学相对性原理第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-120舟行而不觉伽利略对匀速直线运动船舱内现象生动描述第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-1相对于不同的参考系 , 长度和时间的测量结果 是一样的吗?时间和空间的量度和惯性系无关 , 长度和时间的测 量是绝对的 绝对时空观二 经典力学的绝对时空观注 意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 . 牛顿力学的回答:第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-11. 时间：用以表征物质存在的持

11、续性，物质运动、变 化的阶段性和顺序性。时间的测量：“钟” 任何周期性过程均可用来计量时间。例如：行星的自转或公转；单摆；晶体振动；分子、原子 能级跃迁辐射 国际单位：“秒” 与铯133原子基态两个超精细能级之间跃迁相对应的 辐射周期的9192631700倍（精确度 ）校钟操作：在由中点o发出的光 信号抵达的瞬间，对 准A,B处钟的读数第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-1在惯性系中的不同地点建立统一的时间坐标：伽利略变换中我们默认了S 系与 系中的钟一旦在 O 与 重合时校对好，则读 数始终保持相同，不受钟运动状态的影响。在不同惯性系中测量同一事件发生的时刻或两事 件的时间间隔，所得的结果

12、相同。时间测量与惯性系选择无关。第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-1即：时间先于运动存在。没有时间，无法描述运动 ；而没有运动，时间照样存在和流逝。2. 空间：用以表征物质及其运动的广延性空间测量：刚性尺 国际单位：米光在真空中 秒的时间间隔内传播的距离 。“绝对的真实的数学时间, 就其本质而言, 是永远均匀地 流逝着, 与任何外界无关.”第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-1长度的测量：长度 = 在与长度方向平行的坐标轴上，物体两端坐标值之差注意：当物体静止时，两端坐标不一定同时记录；当物体运动时，两端坐标必须同时记录。第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-1由伽利略变换：即：尺的长度

13、与其运动状态无关；空间测量与惯性系的选择无关。直尺长度设直尺相对于S系静止S系系第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-1“绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的，它 从不运动, 并且永远不变.”空间先于运动存在，是盛放物质的容器和物质运动 的舞台。3.绝对时空观 时间间隔、空间距离的测量与参考系的选择无关 。 时间、空间彼此独立，而且与物质、运动无关 。第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-128三 . 力学相对性原理与伽利略变换相协调要求力学定律在一 切惯性系中数学形 式相同给出不同惯性系中 对运动描述的关联是否协调 ？由伽利略速度变换得加速度变换：第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-

14、129得加速度变换：牛顿第二定律及由其导出的一切经典力学定律 在不同惯性系中数学形式相同。第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-1牛顿第二定律及由其导出的一切经典力学定律 在不同惯性系中数学形式相同。不同惯性系中的观察者所观测到的具体力学现象可以不同，但所观测到的力学规律相同物理 实在物理实在 的结构经典力学规律具有伽利略变换不变性， 伽利略变换是经典力学的对称操作。经典力学理论体系是自洽的。由对称性思想：伽利略变换也应该是其它物理理论的对称操作第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-131对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式是 一样的吗 ？真空中的光速对于两个不同的 惯性参考系 , 光速满

15、 足伽利略变换吗 ？四、伽利略变换的疑难四、伽利略变换的疑难第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-132球 投 出 前结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达 到观察者所需要的时间. (根据伽利略变换)球 投 出 后第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-133900 多年前（公元1054年5月）一次著名的超新星 爆发， 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 1054年 1056年均能 用肉眼观察, 特别是开始的 23 天, 白天也能看见 .物质飞散速度l = 5000 光年AB当一颗恒星在发生超新星爆发时, 它的外围物质 向四面八方飞散, 即有些抛射物向着地球运动, 现研 究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问 .第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-134实际持续时间约为 22 个月, 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l = 5000 光年物质飞散速度 AB第十五章 狭义相对论伽利略变换式15-135迈克尔孙 莫雷实验的设计思想人们假设超新星发出的光，其传播速度只与传播 介质的运动速度有关， 而与