伽利略变换关系牛顿的绝对时空观(已阅).ppt

1,第十五章 相对论,2,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.,前言：相对论产生的历史背景和物理基础,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”,物理学家感到自豪而满足，两个事例：,物理学还存在许多未知领域，有广阔的发展前景。,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。,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）。,9,1905,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,9月 物体的惯性同它所含的能量有关吗？,导致 E = mc2,10,2005,“奇迹年”100周年,爱因斯坦,逝世50周年,世界物理年,1,2,11,1、基本内容,A、力学相对性原理和伽利略变换,B、狭义相对论的基本假设,C、狭义相对论的时空观,D、洛仑兹坐标变换,E、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。,12,2、难点,* 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,3、学习本章的正确态度 1) 超越自我认识的局限 2) 自觉摆脱日常生活经验的束缚 以事实为依据 3) 从基本假设出发进行推理,13,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,14,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,15,1、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,16,1、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,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 .,17,1、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,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 .,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.,18,两个惯性系的描述分别为：,两个描述的关系称为变换,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 .,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:,19,2、 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:, 对于描述力学规律而言，一切惯性系都是平权的、 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。,20,舟行而不觉,伽利略对匀速直线运动船舱内现象生动描述,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,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:,1. 时间：用以表征物质存在的持续性，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 ）,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,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。,“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.”,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。,由伽利略变换：,即：尺的长度与其运动状态无关； 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,“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。,28,三 . 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,29,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。,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。,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,31,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 ？,四、伽利略变换的疑难,32,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),33,900 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,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 .,34,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,35,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， 而与爆发物的速度无关 .传播光的介质为“以太” , 在“以太”绝对参考系中光向各个方向传播速度均为 . 若把“以太”比喻作无处不在的大气 , 在其中飞行的地球应感到迎面吹来的以太风 .,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 .,36,迈克尔逊 莫雷实验,光路,虚膜,演示,当时认为光在“以太”（ether）中以速度c传播。,实验目的：干涉仪转90，观测干涉条纹是否移动？,实验结果：条纹无移动(零结果)。以太不存在，光速与参考系无关。,设“以太”相对太阳静止。,干涉仪转90后,按照伽利略速度变换,，时间间隔变成,干涉仪转90引起时间差的变化为,由干涉理论，时间差的变化引起的移动条纹数,对于,但实验值为,40,寻找绝对参照系 “以太”的实验设想,若以太存在，以太中光速一定，但地球在以太中运动，对地球上的观察者来说，不同方向的光速应不同，实验中两束光的传播应有时间差。 实验结果是否定的！0 ！,地球相于与以太的速度为零 ？不可思议！ 以太是多余的！这表明以太不存在，光速与参考系无关。,光线不服从经典的速度合成律，光速不变！,“还在学生时代，我就在想这个问题了。我知道迈克耳逊实验的奇怪结果。我很快得出结论：如果我们承认麦克尔逊的零结果是事实，那么地球相对以太运动的想法就是错误的。这是引导我走向狭义相对论的最早的想法。”,爱因斯坦