伽利略變換關(guān)系牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀(已閱).ppt

1、1,第十五章 相對(duì)論,2,教學(xué)基本要求,一 理解愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的兩條基本原理，以及在此基礎(chǔ)上建立起來(lái)的洛倫茲變換式.,二 理解狹義相對(duì)論中同時(shí)的相對(duì)性，以及長(zhǎng)度收縮和時(shí)間延緩的概念，了解牛頓力學(xué)的時(shí)空觀和狹義相對(duì)論的時(shí)空觀以及二者的差異.,三 了解狹義相對(duì)論中質(zhì)量、動(dòng)量與速度的關(guān)系，以及質(zhì)量與能量間的關(guān)系.,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”,物理學(xué)家感到自豪而滿足，兩個(gè)事例：,物理學(xué)還存在許多未知領(lǐng)域，有廣闊的發(fā)展前景。,兩朵烏云暴風(fēng)驟雨20世紀(jì)初物理學(xué)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,

2、新理論：相對(duì)論、量子力學(xué)， 深刻影響現(xiàn)代科技和人類生活,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。,在上世紀(jì)初，發(fā)生了三次概念上的革命，它們深刻地改變了人們對(duì)物理世界的了解，這就是狹義相對(duì)論（1905）、廣義相對(duì)論（1916）和量子力學(xué)（1925）。,9,1905,愛(ài)因斯坦奇跡年,3月 提出光量子假說(shuō),4月 關(guān)于分子大小的測(cè)量,5月 關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng),9月 物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎？,導(dǎo)致 E = mc2,10,2005,“奇跡年”100周年,愛(ài)因斯坦,逝世50周年,世界物理年,1,2,11,1、基本內(nèi)容,A、力學(xué)相對(duì)性原理和伽利略變換,B、狹義相對(duì)論的

3、基本假設(shè),C、狹義相對(duì)論的時(shí)空觀,D、洛侖茲坐標(biāo)變換,E、相對(duì)論的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,狹義相對(duì)論是一門關(guān)于時(shí)間、空間與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)之間關(guān)系的理論，用新的時(shí)空觀取代了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀。經(jīng)典力學(xué)是相對(duì)論力學(xué)在vc條件下的近似。,12,2、難點(diǎn),* 對(duì)狹義相對(duì)論的時(shí)空觀的理解,* 運(yùn)用洛侖茲變換求解運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題,3、學(xué)習(xí)本章的正確態(tài)度 1) 超越自我認(rèn)識(shí)的局限 2) 自覺(jué)擺脫日常生活經(jīng)驗(yàn)的束縛 以事實(shí)為依據(jù) 3) 從基本假設(shè)出發(fā)進(jìn)行推理,13,明確本章研究的問(wèn)題: 在兩個(gè)慣性系中考察同一物理事件,通常： 實(shí)驗(yàn)室參考系 定為S系 運(yùn)動(dòng)參考系 定為S系,14,相對(duì)論問(wèn)題包括兩個(gè)方面： 1.物理規(guī)律與參考系無(wú)關(guān)相對(duì)性原

4、理 2.在兩個(gè)參考系中對(duì)同一事件的描述形式不同之間存在一個(gè)變換關(guān)系變換式 變換式與相應(yīng)的相對(duì)性原理相對(duì)應(yīng) 牛頓力學(xué)的相對(duì)性原理對(duì)應(yīng)伽利略變換 狹義相對(duì)性原理對(duì)應(yīng)洛侖茲變換 在基本觀點(diǎn)明確的前提下 重要的是變換式,15,1、伽利略變換,一 伽利略變換式 經(jīng)典力學(xué)的相對(duì)性原理,兩個(gè)慣性系：,一物理事件： 質(zhì)點(diǎn)到達(dá) P 點(diǎn),兩個(gè)慣性系的描述分別為：,兩個(gè)描述的關(guān)系稱為變換,16,1、伽利略變換,一 伽利略變換式 經(jīng)典力學(xué)的相對(duì)性原理,兩個(gè)慣性系：,一物理事件： 質(zhì)點(diǎn)到達(dá) P 點(diǎn),兩個(gè)慣性系的描述分別為：,兩個(gè)描述的關(guān)系稱為變換,經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為：1）空間的量度是絕對(duì)的，與參考系無(wú)關(guān)；2）時(shí)間的量度也是絕

5、對(duì)的，與參考系無(wú)關(guān) .,17,1、伽利略變換,一 伽利略變換式 經(jīng)典力學(xué)的相對(duì)性原理,兩個(gè)慣性系的描述分別為：,兩個(gè)描述的關(guān)系稱為變換,經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為：1）空間的量度是絕對(duì)的，與參考系無(wú)關(guān)；2）時(shí)間的量度也是絕對(duì)的，與參考系無(wú)關(guān) .,在兩相互作勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性系中，牛頓運(yùn)動(dòng)定律具有相同的形式.,18,兩個(gè)慣性系的描述分別為：,兩個(gè)描述的關(guān)系稱為變換,經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為：1）空間的量度是絕對(duì)的，與參考系無(wú)關(guān)；2）時(shí)間的量度也是絕對(duì)的，與參考系無(wú)關(guān) .,在兩相互作勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性系中，牛頓運(yùn)動(dòng)定律具有相同的形式.,2、 經(jīng)典力學(xué)的相對(duì)性原理,相對(duì)于不同的參考系 , 基本力學(xué)定律的形式是完全一樣的嗎 ？

6、,牛頓力學(xué)的回答:,19,2、 經(jīng)典力學(xué)的相對(duì)性原理,相對(duì)于不同的參考系 , 基本力學(xué)定律的形式是完全一樣的嗎 ？,牛頓力學(xué)的回答:, 對(duì)于描述力學(xué)規(guī)律而言，一切慣性系都是平權(quán)的、 等價(jià)的。,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)。,20,舟行而不覺(jué),伽利略對(duì)勻速直線運(yùn)動(dòng)船艙內(nèi)現(xiàn)象生動(dòng)描述,相對(duì)于不同的參考系 , 長(zhǎng)度和時(shí)間的測(cè)量結(jié)果是一樣的嗎?,時(shí)間和空間的量度和慣性系無(wú)關(guān) , 長(zhǎng)度和時(shí)間的測(cè)量是絕對(duì)的 絕對(duì)時(shí)空觀,二 經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀,牛頓力學(xué)的相對(duì)性原理，在宏觀、低速的范圍內(nèi)，是與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致的 .,牛頓力學(xué)的回答:,1. 時(shí)間：用以表征物質(zhì)存

7、在的持續(xù)性，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、變化的階段性和順序性。,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 ）,在慣性系中的不同地點(diǎn)建立統(tǒng)一的時(shí)間坐標(biāo)：,伽利略變換中我們默認(rèn)了,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。,“絕對(duì)的真實(shí)的數(shù)學(xué)時(shí)間, 就其本質(zhì)而言, 是永遠(yuǎn)均勻地流逝著, 與任何外界無(wú)關(guān).”,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)，

8、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,“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，它從不運(yùn)動(dòng), 并且永遠(yuǎn)不變.”,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,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)、運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。,28,三 . 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),29,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

9、式相同。,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。,由對(duì)稱性思想： 伽利略變換也應(yīng)該是其它物理理論的對(duì)稱操作,31,對(duì)于不同的慣性系，電磁現(xiàn)象基本規(guī)律的形式是一樣的嗎 ？,真空中的光速,對(duì)于兩個(gè)不同的慣性參考系 , 光速滿足伽利略變換嗎 ？,四、伽利略變換的疑難,32,結(jié)果:觀察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.,試計(jì)算球被投出前后的瞬間，球所發(fā)出的光波達(dá)到觀察者所需要的時(shí)間. (根據(jù)伽利略變換),33,900 多年前（公元1054年5月）一次著名的超新星爆發(fā)， 這次爆發(fā)的殘骸形成了著名的金牛星座的蟹狀星云。北宋天文學(xué)家記載從公元 1054年 1056年均能用肉

10、眼觀察, 特別是開(kāi)始的 23 天, 白天也能看見(jiàn) .,物質(zhì)飛散速度,當(dāng)一顆恒星在發(fā)生超新星爆發(fā)時(shí), 它的外圍物質(zhì)向四面八方飛散, 即有些拋射物向著地球運(yùn)動(dòng), 現(xiàn)研究超新星爆發(fā)過(guò)程中光線傳播引起的疑問(wèn) .,34,實(shí)際持續(xù)時(shí)間約為 22 個(gè)月, 這怎么解釋 ?,理論計(jì)算觀察到超新性爆發(fā)的強(qiáng)光的時(shí)間持續(xù)約,35,邁克爾孫 莫雷實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想,人們假設(shè)超新星發(fā)出的光，其傳播速度只與傳播介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)， 而與爆發(fā)物的速度無(wú)關(guān) .傳播光的介質(zhì)為“以太” , 在“以太”絕對(duì)參考系中光向各個(gè)方向傳播速度均為 . 若把“以太”比喻作無(wú)處不在的大氣 , 在其中飛行的地球應(yīng)感到迎面吹來(lái)的以太風(fēng) .,為了測(cè)量地球

11、相對(duì)于“以太”的運(yùn)動(dòng) , 1881年邁克爾孫用他自制的干涉儀進(jìn)行測(cè)量, 沒(méi)有結(jié)果 . 1887年他與莫雷以更高的精度重新做了此類實(shí)驗(yàn),仍得到零結(jié)果, 即未觀測(cè)到地球相對(duì)“以太”的運(yùn)動(dòng) .,36,邁克爾遜 莫雷實(shí)驗(yàn),光路,虛膜,演示,當(dāng)時(shí)認(rèn)為光在“以太”（ether）中以速度c傳播。,實(shí)驗(yàn)?zāi)康模焊缮鎯x轉(zhuǎn)90，觀測(cè)干涉條紋是否移動(dòng)？,實(shí)驗(yàn)結(jié)果：條紋無(wú)移動(dòng)(零結(jié)果)。以太不存在，光速與參考系無(wú)關(guān)。,設(shè)“以太”相對(duì)太陽(yáng)靜止。,干涉儀轉(zhuǎn)90后,按照伽利略速度變換,，時(shí)間間隔變成,干涉儀轉(zhuǎn)90引起時(shí)間差的變化為,由干涉理論，時(shí)間差的變化引起的移動(dòng)條紋數(shù),對(duì)于,但實(shí)驗(yàn)值為,40,尋找絕對(duì)參照系 “以太”的實(shí)驗(yàn)設(shè)想,若以太存在，以太中光速一定，但地球在以太中運(yùn)動(dòng)，對(duì)地球上的觀察者來(lái)說(shuō)，不同方向的光速應(yīng)不同，實(shí)驗(yàn)中兩束光的傳播應(yīng)有時(shí)間差。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否定的！0 ！,地球相于與以太的速度為零 ？不可思議！ 以太是多余的！這表明以太不存在，光速與參考系無(wú)關(guān)。,光線不服從經(jīng)典的速度合成律，光速不變！,“還在學(xué)生時(shí)代，我就在想這個(gè)問(wèn)題了。我知道邁克耳遜實(shí)驗(yàn)的奇怪結(jié)果。我很快得出結(jié)論：如果我們承認(rèn)麥克爾遜的零結(jié)果是事實(shí)，那么地球相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)的想法就是錯(cuò)誤的。這是引導(dǎo)我走向狹義相對(duì)論的最早的想法。”,愛(ài)因斯坦