大学物理(下)课件：14-1伽利略变换式

1、14-1 伽利略变换式牛顿的绝对时空观2 概 述 1919世纪末页，物理学在各个领域里都取得了世纪末页，物理学在各个领域里都取得了很大的成功：在电磁学方面，建立了很大的成功：在电磁学方面，建立了MaxwellMaxwell方程；方程；以及力、电、光、声以及力、电、光、声-等都遵循的规律等都遵循的规律-能量转能量转化与守恒定律化与守恒定律当时许多物理学家认为物理学已经当时许多物理学家认为物理学已经发展到头了。发展到头了。 正如正如19001900年英国物理学家开尔文在瞻望年英国物理学家开尔文在瞻望2020世纪物世纪物理学的发展的文章中说到：理学的发展的文章中说到： “在已经基本建成的科学大厦中，

2、在已经基本建成的科学大厦中，后辈的物理学家只要做一些零碎的修后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。补工作就行了。” 但是，在物理学晴朗的天空上出现了但是，在物理学晴朗的天空上出现了两朵乌云，最终发展为席卷整个物理学的两朵乌云，最终发展为席卷整个物理学的一场革命风暴。一场革命风暴。黑体辐射实验黑体辐射实验量子理论诞生量子理论诞生迈克尔逊迈克尔逊莫雷莫雷实验实验相对论诞生相对论诞生爱因斯坦爱因斯坦: Einstein现代时空的创始人现代时空的创始人爱因斯坦爱因斯坦建立起来的相对论包括狭义建立起来的相对论包括狭义相对论和相对论和广义相对论广义相对论. .狭义相对论狭义相对论 局限于惯性参考系

3、的时空理论，局限于惯性参考系的时空理论，即只考虑即只考虑物质运动物质运动对时、空的对时、空的影响影响. .广义相对论广义相对论 推广到一般参考系（加速参照推广到一般参考系（加速参照系）和包括引力场在内的理论，此时系）和包括引力场在内的理论，此时时空时空还受还受到物质分布的到物质分布的影响影响. . 相对论相对论是二十世纪物理学最伟大的成就之一，是二十世纪物理学最伟大的成就之一，相对论时空观的建立是人们对物理现象认识上的一相对论时空观的建立是人们对物理现象认识上的一个个飞跃飞跃. .相对论相对论对近代物理学的发展，特别是核物对近代物理学的发展，特别是核物理和高能物理的发展起着重大作理和高能物理的

4、发展起着重大作用用. .“宇宙系统的中心是不动的宇宙系统的中心是不动的”；“绝对空间是绝对空间是这样的，按照其本身的性质与无论什么样的其他任这样的，按照其本身的性质与无论什么样的其他任何事物无关，永远保持静止何事物无关，永远保持静止”；“绝对时间是这绝对时间是这样的，按其本身的性质与别的任何事物无关，平静样的，按其本身的性质与别的任何事物无关，平静地流逝着。地流逝着。”-牛顿自然哲学之数学原理及其宇宙体系爱因斯坦之前关于时空问题的一般认识牛顿的牛顿的时空观（经典力学的时空观）时空观（经典力学的时空观）伽里略伽里略变换变换伽利略变换式 o x x z y y z o ),(),(tzyxtzyx

5、PS系S系 设设S S 系系相对于相对于S S系以匀速系以匀速 沿沿x轴运动，观察轴运动，观察两参照系中同一两参照系中同一事件事件的时空关系：的时空关系：P事件),(tzyxPS系),(tzyxPS系x xy yvo oz z ss*), , , (),(tzyxtzyxPx xt vz z yy伽利略变换式当当 时时0tt oo与与 重合重合伽利略坐标变伽利略坐标变换公式换公式txxvyyzz tt 则，其后任意时刻则，其后任意时刻t=t 位置坐标变换公式位置坐标变换公式tt 伽利略坐标（时空）变换公式vtxxyy zz vtxxyyzztt由 SS系有 由 SS系有vxxuuyyuu zz

6、uu 速度变换公式速度变换公式x xy yvo oz z ss*) , , (),(zyxzyxPx xt vz z yyvuu矢量形式：矢量形式：伽利略速度变换公式zzaa yyaa xxaa 加速度对伽利略变换不变加速度对伽利略变换不变aaamFamF 在在两相互作匀速直线运动的惯性系中两相互作匀速直线运动的惯性系中, ,牛顿牛顿运动定律具有相同的形式运动定律具有相同的形式. .x xy yvo oz z ss*) , , (),(zyxzyxPx xt vz z yy加速度变换在在S S系中：系中：在在S S 系中：系中：在任何一个惯性系中牛顿定律都有完全相同的形式在任何一个惯性系中牛顿

7、定律都有完全相同的形式即：伽利略相对性原理即：伽利略相对性原理 或经典相对性原理或经典相对性原理力学规律对一切惯性系都是等价的力学规律对一切惯性系都是等价的牛顿力学的相对性原理：牛顿力学的相对性原理：牛顿力学的相对性原理amFamF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注注 意意 牛顿力学的相对性原理牛顿力学的相对性原理, , 在宏观、低速在宏观、低速的范围内的范围内, ,是与实验结果相一致的是与实验结果相一致的. .但在高速但在高速运动情况下则不适用运动情况下则不适用. . ) (22xxvt22xx1212xxxxx xy yvo oz ss) (11xx

8、t v z在惯性系在惯性系S S 中放入一细棒中放入一细棒vt11xx经典力学经典力学认为：空间的量度是绝对的，与认为：空间的量度是绝对的，与参考系参考系无关无关. .牛顿的绝对时空观tt 经典力学经典力学认为：时间的量度是绝对的，认为：时间的量度是绝对的，与参考系与参考系无关无关. .y yvo oz sst v zx x*), , , (),(tzyxtzyxP牛顿的绝对时空观tt 从而有从而有: :任何事件所经历的时间在任何事件所经历的时间在不同参考系下都是不变的不同参考系下都是不变的.经典力学时空观绝对空间绝对空间: :空间与运动无关空间与运动无关, ,空间绝对静止空间绝对静止. .

9、空空间的度量与惯性系无关间的度量与惯性系无关, ,绝对不变绝对不变绝对时间绝对时间: : 时间均匀流逝时间均匀流逝, ,与物质运动无关与物质运动无关, ,所有惯性系有统一的时间所有惯性系有统一的时间. .时间、长度、质量、时间、长度、质量、“同时性同时性”和力学定律的形式是和力学定律的形式是绝对的绝对的. .3 3 迈迈克耳孙克耳孙- -莫雷实验莫雷实验 测量测量以太风以太风 零结果零结果1 电磁场电磁场方程组不服从方程组不服从伽利略变换伽利略变换伽利略变换的困难2 光速的困惑光速光速c c是相对那个参是相对那个参照系的？照系的？smc/1099. 2180018641864年麦克斯韦导出的电

10、磁学方程组中的光速年麦克斯韦导出的电磁学方程组中的光速C C是是个常数，与参照系的选择个常数，与参照系的选择无关无关. .与经典时空观矛盾！与经典时空观矛盾！?vccx xy yvo oz z ssc光的速度在各方向光的速度在各方向是不同的是不同的光速的困惑 试计算球被投出前后的瞬间，所发试计算球被投出前后的瞬间，所发出的光波达到观察者所需时间出的光波达到观察者所需时间. . 球球投投出出前前cdcdt 121ttvcdt2球球投投出出后后vcv( (根据伽利略变换根据伽利略变换) ) 例例观察者先看到投出后的球，观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球后看到投出前的球. .结果结果: :球球

11、投投出出前前cdcdt 121ttvcdt2球球投投出出后后vcv(根据伽利略变换)由于光在真空中的速度是恒定不变的（速度是每秒约由于光在真空中的速度是恒定不变的（速度是每秒约3030万万公里），公里），因此光因此光在一年的时间里走过在一年的时间里走过的距离也的距离也恒定恒定不变不变. .光年光年就是光在真空中一年时间走过的就是光在真空中一年时间走过的距离距离. .一一光年大约是光年大约是9.59.5万亿公里万亿公里（1 light year = 9.4605284 1015 meters9.5万万亿公里亿公里）. .天文学家就用这样的一把尺子来测量恒星间的天文学家就用这样的一把尺子来测量恒星

12、间的距离距离. .比如比如，目前所知的离太阳最近的恒星，距太阳约目前所知的离太阳最近的恒星，距太阳约4.24.2光年光年. .而而最遥最遥远的恒星离太阳要超过远的恒星离太阳要超过100100亿亿光年光年. . 当当一颗恒星在发生超新星爆发时一颗恒星在发生超新星爆发时, , 它的外它的外围物质向四面八方飞散围物质向四面八方飞散, , 即有些抛射物向着地即有些抛射物向着地球运动球运动, , 现研究超新星爆发过程中光线传播引现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问起的疑问 . .l = 5000 光年光年cvckm/s1500v物质飞散速度物质飞散速度ABvcltA A 点光线到达点光线到达地球所需

13、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cltBl = 5000 光年光年cvckm/s1500v物质飞散速度物质飞散速度ABl = 5000 光年光年cvckm/s1500v物质飞散速度物质飞散速度AB 理论计算观察到超新星爆发的强光的时理论计算观察到超新星爆发的强光的时间间持续约持续约 . .实际持续时间实际持续时间约为约为 22 22 个月个月, , 这这怎么解释怎么解释 ? ? 年年25 ABttt以太理论的提出机械波机械波的传播必须有的传播必须有弹性弹性媒质媒质. .1919世纪中期麦克斯韦建立的电磁场理论指出光是电世纪中期麦克斯韦建立的电磁场理论指出光是电

14、磁波，并提出光是在磁波，并提出光是在以太以太中传播的中传播的假说假说. .以太以太假说假说：以太是传播包括光波在内的电磁波的弹以太是传播包括光波在内的电磁波的弹性媒质，它充満整个性媒质，它充満整个宇宙空间宇宙空间. .以太以太中带电粒子振动会中带电粒子振动会引起以太变形，这种变形以弹性波的形式传播，这就引起以太变形，这种变形以弹性波的形式传播，这就是是电磁波电磁波. .并且进一步认为并且进一步认为以太以太就是人们一直在寻找的就是人们一直在寻找的绝对静绝对静止参考系止参考系，只有在这个参考系中光速才是与方向无，只有在这个参考系中光速才是与方向无关的关的恒量恒量. .1 1惯性参考系惯性参考系牛顿

15、运动定律成立的牛顿运动定律成立的参考系，简称惯性系参考系，简称惯性系（1 1）地面参考系是惯性参考系（忽略地球自转）地面参考系是惯性参考系（忽略地球自转和公转，在一般的问题中，将地面看成是惯性参和公转，在一般的问题中，将地面看成是惯性参考系，已具有相当高的精度）考系，已具有相当高的精度）（2 2）相对地面做匀速直线运动的参考系是惯性）相对地面做匀速直线运动的参考系是惯性参考系参考系2 2非惯性参考系非惯性参考系牛顿运动定律不能成牛顿运动定律不能成立的参考系，简称非惯性系立的参考系，简称非惯性系（1 1）相对地面做变速运动的参考系是非惯）相对地面做变速运动的参考系是非惯性参考系性参考系（2 2）非惯性系相对惯性系具有加速度）非惯性系相