力學(xué)相對性原理,伽利略變換PPT通用課件

1、阿爾伯特.愛因斯坦（1879 1955）同學(xué)們好！ 物理書都充滿了復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式?？墒撬枷爰袄砟睿枪?，才是每一物理理論的開端。 愛因斯坦 物理學(xué)的進化?前言：相對論產(chǎn)生的歷史背景和物理基礎(chǔ)經(jīng)典物理：伽利略時期 19世紀末 經(jīng)過300年發(fā)展，到達全盛的“黃金時代”形成三大理論體系1.機械運動：以牛頓定律和萬有引力定律為基礎(chǔ)的 經(jīng)典力學(xué)2.電磁運動： 以麥克斯韋方程組為基礎(chǔ)的經(jīng)典電磁學(xué)3.熱運動：以熱力學(xué)定律為基礎(chǔ)的宏觀理論(熱力學(xué)) 以分子運動為基礎(chǔ)的微觀理論(統(tǒng)計物理學(xué))物理學(xué)家感到自豪而滿足，兩個事例： 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工作就行了。也就是在測

2、量數(shù)據(jù)的小數(shù)點后面添加幾位有效數(shù)字而已。 開爾芬（1899年除夕） 理論物理實際上已經(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不會有任何發(fā)展的事去做。 約利致普朗克的信兩朵烏云：1. 邁克爾孫 莫雷實驗的“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，湯姆孫 因氣體導(dǎo)電理論獲1906年諾貝爾物理獎2.X射線：1895年，德國，倫琴 1901年獲第一個諾貝爾物理獎3.放射性：1896年，法國，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年諾貝爾物理獎物理學(xué)還存在許多未知領(lǐng)域，有廣闊的發(fā)展前景。實驗結(jié)果與理論不符兩朵烏云暴風(fēng)驟雨20世紀初物理學(xué)

3、危機物理學(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：相對論、量子力學(xué)， 深刻影響現(xiàn)代科技和人類生活 相對論的思想基礎(chǔ)：對稱性觀念物理規(guī)律不因人（參考系）而異，參考系變換應(yīng)該是物理定律的對稱操作。一切慣性系對物理定律等價狹義相對論慣性系和非慣性系對物理定律等價廣義相對論相對論并不神秘需要擺脫日常生活（低速領(lǐng)域）經(jīng)驗的束縛，自覺地進行理性思維訓(xùn)練。對稱性擴展力學(xué)相對性原理狹義相對性原理廣義相對性原理從伽利略到愛因斯坦第八章 狹義相對論基礎(chǔ)學(xué)時： 8 （狹義相對論）;狹義相對論基本原理局限性伽利略變換絕對時空觀力學(xué)相對性原理洛侖茲變換狹義相對論時空觀相對論動力學(xué)基礎(chǔ)比較結(jié)構(gòu)框圖重點：狹

4、義相對論的兩條基本原理洛侖茲坐標(biāo)變換狹義相對論時空觀（“同時”的相對性、鐘慢尺縮）質(zhì)速關(guān)系，質(zhì)能關(guān)系，能量與動量關(guān)系難點：狹義相對論時空觀88.1 力學(xué)相對性原理 伽利略變換一. 力學(xué)相對性原理 力學(xué)是研究物體的運動，即物體位置隨時間的變化關(guān)系。描述物體的運動問題1：對于不同的參考系，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)實際情況需要來選擇參考系 牛頓：對于任何慣性參考系，牛頓定律都是成立的。即對于不同的慣性系，力學(xué)的基本定律牛頓定律，其形式都是一樣的。力學(xué)相對性原理或牛頓相對性原理。 問題1：對于不同的參考系，基本力學(xué)定律的形式是否完全一

5、樣呢？ 對于描述力學(xué)規(guī)律而言，一切慣性系彼此等價。 在一個慣性系中所做的任何力學(xué)實驗，都不能判斷該慣性系相對于其它慣性系的運動。伽利略對勻速直線運動船艙內(nèi)現(xiàn)象生動描述 西漢時代尚書緯：地恒動不止而人不知，譬如人在大舟中，閉窗而坐，舟行而不覺也。 二、伽利略變換S系系系S系和坐標(biāo)軸相互平行,系S系相對于沿 +x 方向以速率 u 運動，當(dāng) O 和 重合時，令一個參考系的描述 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 . 絕對時空觀伽利略變換中已經(jīng)隱含了時空觀念1. 時間：用以表征物質(zhì)存在的持續(xù)性，物質(zhì)運動、變化的階段性和順序性。正變換

6、逆變換時間的測量：“鐘”任何周期性過程均可用來計量時間。例如：行星的自轉(zhuǎn)或公轉(zhuǎn)；單擺；晶體振動；分子、原子能級躍遷輻射國際單位：“秒”與銫133原子基態(tài)兩個超精細能級之間躍遷相對應(yīng)的輻射周期的9192631700倍（精確度 ）校鐘操作：由此在一個慣性系中的不同地點建立統(tǒng)一的時間坐標(biāo)：S 系與 系中的鐘一旦在 O 與 重合時校對好，則讀數(shù)始終保持相同，不受鐘運動狀態(tài)的影響。在不同慣性系中測量同一事件發(fā)生的時刻或兩事件的時間間隔，所得的結(jié)果相同。時間測量與慣性系選擇無關(guān)。o伽利略變換中我們默認了對不同慣性系即：時間先于運動存在。沒有時間，無法描述運動；而沒有運動，時間照樣存在和流逝。2. 空間：用

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

8、、運動無關(guān)。先驗框架絕對空間就其本質(zhì)而言，是與任何外界事物無關(guān)的，而且是永遠相同和不動的。 牛頓四 . 力學(xué)相對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運動描述的關(guān)聯(lián)是否協(xié)調(diào)？由伽利略速度變換得加速度變換：先驗條件不同慣性系中的觀察者所觀測到的具體力學(xué)現(xiàn)象可以不同，但所觀測到的力學(xué)規(guī)律相同物理實在物理實在的結(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)的對稱操作。經(jīng)典力學(xué)理論體系是自洽的。由對稱性思想：伽利略變換也應(yīng)該是其它物理理論的對稱操作五、伽利略變換的困難1. 伽利略變

9、換不是經(jīng)典電磁定律的對稱操作 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：洛侖茲力電場力洛侖茲力垂直于 決定的平面q2 電磁場理論建立后呈現(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，它的一個重要推論是存在電磁波。真空中電磁波滿足的波動方程為：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。 從伽利略變換來看，電磁波的傳播顯然不滿足相對性原理。 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補償玻璃板半透明鍍銀層12以太風(fēng) 邁克爾孫 - 莫雷實驗 目的：找出絕對慣性系（以太系） ，或測出我們的地球參考系相對絕對參考系的速度有多大。以太風(fēng)由伽利略變換光對儀器儀器對以太光對以太 光線1、2相遇，出現(xiàn)干涉條紋，將裝置轉(zhuǎn)動90度，干涉條紋應(yīng)移動（預(yù)計0.37條）。反復(fù)實驗:“零結(jié)果”相對性原理的普遍性（對稱性）伽利略變換（經(jīng)典力學(xué)）電磁學(xué)定律三者無法協(xié)調(diào)解決困難的途徑：1. 否定相對性原理的普遍性，承認慣性系對電磁學(xué)定律不等價，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)，尋求對電磁理論和改造后的力學(xué)定律均為對稱操作的“新變換”。1、2、無一例外遭到失敗，愛因斯坦選擇 3、取得成功。愛因斯坦的選擇來自堅定的信念： 自然的設(shè)計是對稱的，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)與慣性系的選擇無關(guān)。 實驗結(jié)果說明，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時空觀有問題，必須尋找新的變換，建立新的時空觀?！皭垡蛩固拱逊椒ǖ沽诉^來，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)存在這一點作為假設(shè)提出來，并且用它演繹出方程組應(yīng)有的形式?！?洛侖茲（荷蘭.18531928）愛因斯坦1

12、931年會見邁克爾孫“我的實驗竟然對相對論這個怪物的誕生起了作用，我對此感到十分遺憾?！薄拔易鹁吹倪~克爾孫博士，您開始工作時，我還是個孩子，只有1米高，正是您將物理學(xué)家引向新的道路，通過您精湛的實驗工作，鋪平了相對論發(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，狹義相對論正是由此發(fā)展而來的。沒有您的工作，相對論今天頂多也只是一個有趣的猜想，您的驗證使之得到最初的實驗基礎(chǔ)?！保?931年邁克爾孫、愛因斯坦、密立根在一起。）8.2 狹義相對論的基本原理 洛侖茲變換一.狹義相對論的兩條基本原理狹義相對性原理：一切物理定律在所有的慣性系中都有相同數(shù)學(xué)形式。 是對力學(xué)相對性原理的推廣

13、基于對自然規(guī)律對稱性的深刻理解和堅定信仰：所有的慣性系對物理規(guī)律等價。2. 光速不變原理：在所有的慣性系中,真空中的光速恒為 c ，與光源或觀察者的運動無關(guān)。 是對實驗事實的直接表達 光速測定：1675年19世紀中葉 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 貝托齊實驗貝托齊實驗結(jié)果速率極限：指能量和信息傳播速率的極限。揭示出真空的對稱性質(zhì)：對于光的傳播而言，真空各向同性，所有慣性系彼此等價。二.洛侖茲變換1.坐標(biāo)變換當(dāng) 時，由 發(fā)出光信號，光信號到達 P ：尋找對同一客觀事件