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 伽利略变换式 经典力学的相对性原理 对于任何惯性参照系 , 牛顿力学的规律都具有 相同的形式 . 这就是经典力学的相对性原理 . 相对于不同的参考系 , 经典力学定律的形式是 完全一样的吗 ？ 牛顿力学的回答: 明确研究的问题: 事件：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 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. 两组时空坐标之间的关系称为坐标变换 在两个惯性系（实验室参考系S与运动参考系S） 中考察同一物理事件 两个参考系（约定系统） 重合时，计时开始。 如图，S，S相应坐 标轴保持平行，X，X 轴重合， S 相对 S 以 速度 u 沿轴作匀速直 线运动。 事件： t 时刻，物体到达 P 点 伽利略变换 变换分量式 速度变换 正变换 逆变换 加速度变换 正 逆惯性系 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。 牛顿力学中： 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。 据伽利略变换 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 或 牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变 或 牛顿力学规律是伽利略不变式 如：动量守恒定律 据伽利略变换，可得到经典时空观 （1）同时的绝对性 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， 在其他惯性系中，两个事件也一定同时发生。 同时的绝对性。 2.经典力学时空观 （2）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。 据伽利略变换， 在另一参照系中， （3）长度测量的绝对性 当杆的方向沿轴方向时，长 度是杆的两端的坐标差，但必须 同时测量。静止系中可不同时测 运动系中同时测 运动系中不同时测 静止系中，杆的长度为 运动系中，杆的长度为 据伽利略变换 长度测量是绝对的。 运动系中同时测 运动系中不同时测 静止系中，杆的长度为 运动系中，杆的长度为 据伽利略变换 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 关 , 长度和时间的测量是绝对的. 牛顿的绝对时空观牛顿力学的相对性原理 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 . 实践已证明 , 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：在经典力 学中，长度、时间及质量都和运动无关，是个不变量。 1) 电磁场方程组不服从伽利略变换 2) 光速c是常量不论从哪个参考系中测量 迈克耳逊莫雷（MichelsonMorleg）实验 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 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。 迈克耳逊莫雷实验没有观测到预期的条纹移动 ，称为零结果，说明光速不变。 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 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 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 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 经典电磁理论认为光是在一种称为以太的介 质中传播的。 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。 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 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 以太参照系以太参照系 u u 光信号光信号 光在以太中的速度是根据伽利略速度变换c , 光向A传播速度为 光向B传播速度为 cu + c u 在车上的观察者认为： 所以：B B先接受先接受 到光信号到光信号 + cu cu 车厢中点 900 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 A B 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 . 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 A B A 点光线到达 地球所需时间 B 点光线到达 地球所需时间 迈克尔孙 莫雷实验 为了测量地球相对于“以太”的运动 , 1881年 迈克尔孙用他自制的干涉仪进行测量, 没有结果 . 1887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, 即未观测到地球相对“以太”的运 动 . G M1 M2 T G M1 GG M2 G G M2M2 G M2 M1 G T 设“以太”参考系为S系，实验室为 系 （从 系看） 人们为维护“以太”观念作了种种努力， 提出了各 种理论 ，但这些理论或与天文观察，或与其它的实验 相矛盾，最后均以失败告终 . 仪器可测量精度 实验结果 未观察到地球相对于“以太”的运动. 4 - 2 狭义相对论的基本原理 爱因斯坦的哲学观念：自然 界应当是和谐而简单的. 理论特色：出于简单而归于 深奥. Albert Einstein ( 1879 1955 ) 20世纪最伟大的物理学家, 于 1905年和1915年先后创立了狭义相 对论和广义相对论, 他于1905年提 出了光量子假设, 为此他于1921年 获得诺贝尔物理学奖, 他还在量子 理论方面具有很多的重要的贡献 . 一 狭义相对论的基本原理 1）爱因斯坦相对性原理：物理定律在所有的 惯性系中都具有相同的表达形式 . 2）光速不变原理： 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 选择. 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. 所有的惯性参考系都是等价的 . 伽利略变换与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 . 和光速不变紧密联系在一起的是：在某一惯性系 中同时发生的两个事件，在相对于此惯性系运动的另 一惯性系中观察，并不一定是同时发生的 . 长度的测量是和同时性概念密切相关. 4 3 洛伦兹变换 一、 洛伦兹变换式 * 设 ： 时， 重合 ; 事件 P 的时空 坐标如图所示 . 正 变 换 逆 变 换 光速在任何惯性 系中均为同一常量 ，