力學(xué)相對(duì)性原理,伽利略變換PPT通用課件

1、阿爾伯特.愛(ài)因斯坦（1879 1955）同學(xué)們好！ 物理書(shū)都充滿(mǎn)了復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式。可是思想及理念，而非公式，才是每一物理理論的開(kāi)端。 愛(ài)因斯坦 物理學(xué)的進(jìn)化?前言：相對(duì)論產(chǎn)生的歷史背景和物理基礎(chǔ)經(jīng)典物理：伽利略時(shí)期 19世紀(jì)末 經(jīng)過(guò)300年發(fā)展，到達(dá)全盛的“黃金時(shí)代”形成三大理論體系1.機(jī)械運(yùn)動(dòng)：以牛頓定律和萬(wàn)有引力定律為基礎(chǔ)的 經(jīng)典力學(xué)2.電磁運(yùn)動(dòng)： 以麥克斯韋方程組為基礎(chǔ)的經(jīng)典電磁學(xué)3.熱運(yùn)動(dòng)：以熱力學(xué)定律為基礎(chǔ)的宏觀(guān)理論(熱力學(xué)) 以分子運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)的微觀(guān)理論(統(tǒng)計(jì)物理學(xué))物理學(xué)家感到自豪而滿(mǎn)足，兩個(gè)事例： 在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中，后輩物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了。也就是在測(cè)

2、量數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)后面添加幾位有效數(shù)字而已。 開(kāi)爾芬（1899年除夕） 理論物理實(shí)際上已經(jīng)完成了，所有的微分方程都已經(jīng)解出，青年人不值得選擇一種將來(lái)不會(huì)有任何發(fā)展的事去做。 約利致普朗克的信兩朵烏云：1. 邁克爾孫 莫雷實(shí)驗(yàn)的“零結(jié)果”2. 黑體輻射的“紫外災(zāi)難”三大發(fā)現(xiàn)：1.電子：1894年，英國(guó)，湯姆孫 因氣體導(dǎo)電理論獲1906年諾貝爾物理獎(jiǎng)2.X射線(xiàn)：1895年，德國(guó)，倫琴 1901年獲第一個(gè)諾貝爾物理獎(jiǎng)3.放射性：1896年，法國(guó)，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾，居里夫婦發(fā)現(xiàn)釙和鐳，共同獲得1903年諾貝爾物理獎(jiǎng)物理學(xué)還存在許多未知領(lǐng)域，有廣闊的發(fā)展前景。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論不符兩朵烏云暴風(fēng)驟雨20世紀(jì)初物理學(xué)

3、危機(jī)物理學(xué)正在臨產(chǎn)中，它孕育著的新理論將要誕生了。 列寧 新理論：相對(duì)論、量子力學(xué)， 深刻影響現(xiàn)代科技和人類(lèi)生活 相對(duì)論的思想基礎(chǔ)：對(duì)稱(chēng)性觀(guān)念物理規(guī)律不因人（參考系）而異，參考系變換應(yīng)該是物理定律的對(duì)稱(chēng)操作。一切慣性系對(duì)物理定律等價(jià)狹義相對(duì)論慣性系和非慣性系對(duì)物理定律等價(jià)廣義相對(duì)論相對(duì)論并不神秘需要擺脫日常生活（低速領(lǐng)域）經(jīng)驗(yàn)的束縛，自覺(jué)地進(jìn)行理性思維訓(xùn)練。對(duì)稱(chēng)性擴(kuò)展力學(xué)相對(duì)性原理狹義相對(duì)性原理廣義相對(duì)性原理從伽利略到愛(ài)因斯坦第八章 狹義相對(duì)論基礎(chǔ)學(xué)時(shí)： 8 （狹義相對(duì)論）;狹義相對(duì)論基本原理局限性伽利略變換絕對(duì)時(shí)空觀(guān)力學(xué)相對(duì)性原理洛侖茲變換狹義相對(duì)論時(shí)空觀(guān)相對(duì)論動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)比較結(jié)構(gòu)框圖重點(diǎn)：狹

4、義相對(duì)論的兩條基本原理洛侖茲坐標(biāo)變換狹義相對(duì)論時(shí)空觀(guān)（“同時(shí)”的相對(duì)性、鐘慢尺縮）質(zhì)速關(guān)系，質(zhì)能關(guān)系，能量與動(dòng)量關(guān)系難點(diǎn)：狹義相對(duì)論時(shí)空觀(guān)88.1 力學(xué)相對(duì)性原理 伽利略變換一. 力學(xué)相對(duì)性原理 力學(xué)是研究物體的運(yùn)動(dòng)，即物體位置隨時(shí)間的變化關(guān)系。描述物體的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題1：對(duì)于不同的參考系，基本力學(xué)定律的數(shù)學(xué)形式是否完全一樣呢？選擇參考系建立坐標(biāo)系速度、加速度、力學(xué)定律才有意義根據(jù)實(shí)際情況需要來(lái)選擇參考系 牛頓：對(duì)于任何慣性參考系，牛頓定律都是成立的。即對(duì)于不同的慣性系，力學(xué)的基本定律牛頓定律，其形式都是一樣的。力學(xué)相對(duì)性原理或牛頓相對(duì)性原理。 問(wèn)題1：對(duì)于不同的參考系，基本力學(xué)定律的形式是否完全一

5、樣呢？ 對(duì)于描述力學(xué)規(guī)律而言，一切慣性系彼此等價(jià)。 在一個(gè)慣性系中所做的任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)，都不能判斷該慣性系相對(duì)于其它慣性系的運(yùn)動(dòng)。伽利略對(duì)勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)船艙內(nèi)現(xiàn)象生動(dòng)描述 西漢時(shí)代尚書(shū)緯：地恒動(dòng)不止而人不知，譬如人在大舟中，閉窗而坐，舟行而不覺(jué)也。 二、伽利略變換S系系系S系和坐標(biāo)軸相互平行,系S系相對(duì)于沿 +x 方向以速率 u 運(yùn)動(dòng)，當(dāng) O 和 重合時(shí)，令一個(gè)參考系的描述 另一參考系的描述 變換或操作坐標(biāo)變換：速度變換：或 坐標(biāo)變換分量式：正變換逆變換S系系速度變換分量式：三 . 絕對(duì)時(shí)空觀(guān)伽利略變換中已經(jīng)隱含了時(shí)空觀(guān)念1. 時(shí)間：用以表征物質(zhì)存在的持續(xù)性，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、變化的階段性和順序性。正變換

6、逆變換時(shí)間的測(cè)量：“鐘”任何周期性過(guò)程均可用來(lái)計(jì)量時(shí)間。例如：行星的自轉(zhuǎn)或公轉(zhuǎn)；單擺；晶體振動(dòng)；分子、原子能級(jí)躍遷輻射國(guó)際單位：“秒”與銫133原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷相對(duì)應(yīng)的輻射周期的9192631700倍（精確度 ）校鐘操作：由此在一個(gè)慣性系中的不同地點(diǎn)建立統(tǒng)一的時(shí)間坐標(biāo)：S 系與 系中的鐘一旦在 O 與 重合時(shí)校對(duì)好，則讀數(shù)始終保持相同，不受鐘運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。在不同慣性系中測(cè)量同一事件發(fā)生的時(shí)刻或兩事件的時(shí)間間隔，所得的結(jié)果相同。時(shí)間測(cè)量與慣性系選擇無(wú)關(guān)。o伽利略變換中我們默認(rèn)了對(duì)不同慣性系即：時(shí)間先于運(yùn)動(dòng)存在。沒(méi)有時(shí)間，無(wú)法描述運(yùn)動(dòng)；而沒(méi)有運(yùn)動(dòng)，時(shí)間照樣存在和流逝。2. 空間：用

7、以表征物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)的廣延性空間測(cè)量：剛性尺國(guó)際單位：米光在真空中 秒的時(shí)間間隔內(nèi)傳播的距離。 絕對(duì)的、真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自身在流逝著，而且，由于其本性在均勻的，與任何其它外界事物無(wú)關(guān)地流逝著。 牛頓長(zhǎng)度的測(cè)量：長(zhǎng)度 = 在與長(zhǎng)度方向平行的坐標(biāo)軸上，物體兩端坐標(biāo)值之差注意：當(dāng)物體靜止時(shí)，兩端坐標(biāo)不一定同時(shí)記錄； 當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩端坐標(biāo)必須同時(shí)記錄。由伽利略變換：即：尺的長(zhǎng)度與其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)； 空間測(cè)量與慣性系的選擇無(wú)關(guān)。直尺長(zhǎng)度設(shè)直尺相對(duì)于S系靜止S系系空間先于運(yùn)動(dòng)存在，是盛放物質(zhì)的容器和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的舞臺(tái)。3.絕對(duì)時(shí)空觀(guān) 時(shí)間間隔、空間距離的測(cè)量與參考系的選擇無(wú)關(guān)。 時(shí)間、空間彼此獨(dú)立，而且與物質(zhì)

8、、運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。先驗(yàn)框架絕對(duì)空間就其本質(zhì)而言，是與任何外界事物無(wú)關(guān)的，而且是永遠(yuǎn)相同和不動(dòng)的。 牛頓四 . 力學(xué)相對(duì)性原理與伽利略變換相協(xié)調(diào)要求力學(xué)定律在一切慣性系中數(shù)學(xué)形式相同給出不同慣性系中對(duì)運(yùn)動(dòng)描述的關(guān)聯(lián)是否協(xié)調(diào)？由伽利略速度變換得加速度變換：先驗(yàn)條件不同慣性系中的觀(guān)察者所觀(guān)測(cè)到的具體力學(xué)現(xiàn)象可以不同，但所觀(guān)測(cè)到的力學(xué)規(guī)律相同物理實(shí)在物理實(shí)在的結(jié)構(gòu)牛頓第二定律及由其導(dǎo)出的一切經(jīng)典力學(xué)定律在不同慣性系中數(shù)學(xué)形式相同。經(jīng)典力學(xué)規(guī)律具有伽利略變換不變性，伽利略變換是經(jīng)典力學(xué)的對(duì)稱(chēng)操作。經(jīng)典力學(xué)理論體系是自洽的。由對(duì)稱(chēng)性思想：伽利略變換也應(yīng)該是其它物理理論的對(duì)稱(chēng)操作五、伽利略變換的困難1. 伽利略變

9、換不是經(jīng)典電磁定律的對(duì)稱(chēng)操作 因速度 與參考系有關(guān)，所以經(jīng)伽利略變換后洛侖茲力將發(fā)生變化，經(jīng)典電磁定律不具有伽利略變換的不變性。帶電粒子受力：洛侖茲力電場(chǎng)力洛侖茲力垂直于 決定的平面q2 電磁場(chǎng)理論建立后呈現(xiàn)的新局面 1865年麥克斯韋建立了描述電磁現(xiàn)象的麥克斯韋方程組，它的一個(gè)重要推論是存在電磁波。真空中電磁波滿(mǎn)足的波動(dòng)方程為：式中c是真空中的電磁波傳播速度，電磁波在真空中沿各方向的傳播速度都等于光速。 從伽利略變換來(lái)看，電磁波的傳播顯然不滿(mǎn)足相對(duì)性原理。 如果電磁波在某一慣性系S中沿各方向的傳播速度為c，則在相對(duì)S系速度為u的S系中在u方向上電磁波的傳播速度為c-u，在-v方向上電磁波的傳

10、播速度為c+u。單色光源反射鏡1反射鏡 2補(bǔ)償玻璃板半透明鍍銀層12以太風(fēng) 邁克爾孫 - 莫雷實(shí)驗(yàn) 目的：找出絕對(duì)慣性系（以太系） ，或測(cè)出我們的地球參考系相對(duì)絕對(duì)參考系的速度有多大。以太風(fēng)由伽利略變換光對(duì)儀器儀器對(duì)以太光對(duì)以太 光線(xiàn)1、2相遇，出現(xiàn)干涉條紋，將裝置轉(zhuǎn)動(dòng)90度，干涉條紋應(yīng)移動(dòng)（預(yù)計(jì)0.37條）。反復(fù)實(shí)驗(yàn):“零結(jié)果”相對(duì)性原理的普遍性（對(duì)稱(chēng)性）伽利略變換（經(jīng)典力學(xué)）電磁學(xué)定律三者無(wú)法協(xié)調(diào)解決困難的途徑：1. 否定相對(duì)性原理的普遍性，承認(rèn)慣性系對(duì)電磁學(xué)定律不等價(jià)，尋找電磁學(xué)定律在其中成立的特殊慣性系。2. 改造電磁學(xué)理論，重建具有對(duì)伽利略變換不變性的電磁學(xué)定律。3. 重新定位伽利略

11、變換，改造經(jīng)典力學(xué)，尋求對(duì)電磁理論和改造后的力學(xué)定律均為對(duì)稱(chēng)操作的“新變換”。1、2、無(wú)一例外遭到失敗，愛(ài)因斯坦選擇 3、取得成功。愛(ài)因斯坦的選擇來(lái)自堅(jiān)定的信念： 自然的設(shè)計(jì)是對(duì)稱(chēng)的，不僅力學(xué)規(guī)律在所有的慣性系中有相同的數(shù)學(xué)形式，所有的物理規(guī)律都應(yīng)與慣性系的選擇無(wú)關(guān)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，在所有慣性系中，真空中的光速恒為c ，伽利略變換以及導(dǎo)致伽利略變換的牛頓絕對(duì)時(shí)空觀(guān)有問(wèn)題，必須尋找新的變換，建立新的時(shí)空觀(guān)。“愛(ài)因斯坦把方法倒了過(guò)來(lái)，他不是從已知的方程組出發(fā)去證明協(xié)變性是存在的，而是把協(xié)變性應(yīng)當(dāng)存在這一點(diǎn)作為假設(shè)提出來(lái)，并且用它演繹出方程組應(yīng)有的形式?！?洛侖茲（荷蘭.18531928）愛(ài)因斯坦1

12、931年會(huì)見(jiàn)邁克爾孫“我的實(shí)驗(yàn)竟然對(duì)相對(duì)論這個(gè)怪物的誕生起了作用，我對(duì)此感到十分遺憾?！薄拔易鹁吹倪~克爾孫博士，您開(kāi)始工作時(shí)，我還是個(gè)孩子，只有1米高，正是您將物理學(xué)家引向新的道路，通過(guò)您精湛的實(shí)驗(yàn)工作，鋪平了相對(duì)論發(fā)展的道路，您揭示了光以太的隱患，激發(fā)了洛侖茲和菲茲杰諾的思想，狹義相對(duì)論正是由此發(fā)展而來(lái)的。沒(méi)有您的工作，相對(duì)論今天頂多也只是一個(gè)有趣的猜想，您的驗(yàn)證使之得到最初的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)?！保?931年邁克爾孫、愛(ài)因斯坦、密立根在一起。）8.2 狹義相對(duì)論的基本原理 洛侖茲變換一.狹義相對(duì)論的兩條基本原理狹義相對(duì)性原理：一切物理定律在所有的慣性系中都有相同數(shù)學(xué)形式。 是對(duì)力學(xué)相對(duì)性原理的推廣

13、基于對(duì)自然規(guī)律對(duì)稱(chēng)性的深刻理解和堅(jiān)定信仰：所有的慣性系對(duì)物理規(guī)律等價(jià)。2. 光速不變?cè)恚涸谒械膽T性系中,真空中的光速恒為 c ，與光源或觀(guān)察者的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。 是對(duì)實(shí)驗(yàn)事實(shí)的直接表達(dá) 光速測(cè)定：1675年19世紀(jì)中葉 天文方法，獲得3位有效數(shù)字； 1849年1940年 用旋轉(zhuǎn)齒輪、旋轉(zhuǎn)棱鏡、克爾盒等方法 獲得46位有效數(shù)字； 1940年以后： 用電子、微波技術(shù)獲得7位有效數(shù)字 1960年以后； 用激光技術(shù)獲得9位有效數(shù)字。 c 是自然界的極限速率1962年 貝托齊實(shí)驗(yàn)貝托齊實(shí)驗(yàn)結(jié)果速率極限：指能量和信息傳播速率的極限。揭示出真空的對(duì)稱(chēng)性質(zhì)：對(duì)于光的傳播而言，真空各向同性，所有慣性系彼此等價(jià)。二.洛侖茲變換1.坐標(biāo)變換當(dāng) 時(shí)，由 發(fā)出光信號(hào)，光信號(hào)到達(dá) P ：尋找對(duì)同一客觀(guān)事件