伽利略變換關系牛頓的絕對時空觀(已閱).ppt

1、1,第十五章 相對論,2,教學基本要求,一 理解愛因斯坦狹義相對論的兩條基本原理，以及在此基礎上建立起來的洛倫茲變換式.,二 理解狹義相對論中同時的相對性，以及長度收縮和時間延緩的概念，了解牛頓力學的時空觀和狹義相對論的時空觀以及二者的差異.,三 了解狹義相對論中質量、動量與速度的關系，以及質量與能量間的關系.,前言：相對論產生的歷史背景和物理基礎,經典物理：伽利略時期 19世紀末 經過300年發(fā)展，到達全盛的“黃金時代”,物理學家感到自豪而滿足，兩個事例：,物理學還存在許多未知領域，有廣闊的發(fā)展前景。,兩朵烏云暴風驟雨20世紀初物理學危機,物理學正在臨產中，它孕育著的新理論將要誕生了 列寧,

2、新理論：相對論、量子力學， 深刻影響現代科技和人類生活,相對論并不神秘 需要擺脫日常生活（低速領域）經驗的束縛，自覺地進行理性思維訓練。,在上世紀初，發(fā)生了三次概念上的革命，它們深刻地改變了人們對物理世界的了解，這就是狹義相對論（1905）、廣義相對論（1916）和量子力學（1925）。,9,1905,愛因斯坦奇跡年,3月 提出光量子假說,4月 關于分子大小的測量,5月 關于布朗運動,9月 物體的慣性同它所含的能量有關嗎？,導致 E = mc2,10,2005,“奇跡年”100周年,愛因斯坦,逝世50周年,世界物理年,1,2,11,1、基本內容,A、力學相對性原理和伽利略變換,B、狹義相對論的

3、基本假設,C、狹義相對論的時空觀,D、洛侖茲坐標變換,E、相對論的動力學問題,狹義相對論是一門關于時間、空間與物質運動之間關系的理論，用新的時空觀取代了牛頓的絕對時空觀。經典力學是相對論力學在vc條件下的近似。,12,2、難點,* 對狹義相對論的時空觀的理解,* 運用洛侖茲變換求解運動學問題,3、學習本章的正確態(tài)度 1) 超越自我認識的局限 2) 自覺擺脫日常生活經驗的束縛 以事實為依據 3) 從基本假設出發(fā)進行推理,13,明確本章研究的問題: 在兩個慣性系中考察同一物理事件,通常： 實驗室參考系 定為S系 運動參考系 定為S系,14,相對論問題包括兩個方面： 1.物理規(guī)律與參考系無關相對性原

4、理 2.在兩個參考系中對同一事件的描述形式不同之間存在一個變換關系變換式 變換式與相應的相對性原理相對應 牛頓力學的相對性原理對應伽利略變換 狹義相對性原理對應洛侖茲變換 在基本觀點明確的前提下 重要的是變換式,15,1、伽利略變換,一 伽利略變換式 經典力學的相對性原理,兩個慣性系：,一物理事件： 質點到達 P 點,兩個慣性系的描述分別為：,兩個描述的關系稱為變換,16,1、伽利略變換,一 伽利略變換式 經典力學的相對性原理,兩個慣性系：,一物理事件： 質點到達 P 點,兩個慣性系的描述分別為：,兩個描述的關系稱為變換,經典力學認為：1）空間的量度是絕對的，與參考系無關；2）時間的量度也是絕

5、對的，與參考系無關 .,17,1、伽利略變換,一 伽利略變換式 經典力學的相對性原理,兩個慣性系的描述分別為：,兩個描述的關系稱為變換,經典力學認為：1）空間的量度是絕對的，與參考系無關；2）時間的量度也是絕對的，與參考系無關 .,在兩相互作勻速直線運動的慣性系中，牛頓運動定律具有相同的形式.,18,兩個慣性系的描述分別為：,兩個描述的關系稱為變換,經典力學認為：1）空間的量度是絕對的，與參考系無關；2）時間的量度也是絕對的，與參考系無關 .,在兩相互作勻速直線運動的慣性系中，牛頓運動定律具有相同的形式.,2、 經典力學的相對性原理,相對于不同的參考系 , 基本力學定律的形式是完全一樣的嗎 ？

6、,牛頓力學的回答:,19,2、 經典力學的相對性原理,相對于不同的參考系 , 基本力學定律的形式是完全一樣的嗎 ？,牛頓力學的回答:, 對于描述力學規(guī)律而言，一切慣性系都是平權的、 等價的。,在一個慣性系中所做的任何力學實驗，都不能判斷 該慣性系相對于其它慣性系的運動。,20,舟行而不覺,伽利略對勻速直線運動船艙內現象生動描述,相對于不同的參考系 , 長度和時間的測量結果是一樣的嗎?,時間和空間的量度和慣性系無關 , 長度和時間的測量是絕對的 絕對時空觀,二 經典力學的絕對時空觀,牛頓力學的相對性原理，在宏觀、低速的范圍內，是與實驗結果相一致的 .,牛頓力學的回答:,1. 時間：用以表征物質存

7、在的持續(xù)性，物質運動、變化的階段性和順序性。,時間的測量：“鐘”,任何周期性過程均可用來計量時間。例如： 行星的自轉或公轉；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的輻射周期的9192631700倍（精確度 ）,在慣性系中的不同地點建立統(tǒng)一的時間坐標：,伽利略變換中我們默認了,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。,“絕對的真實的數學時間, 就其本質而言, 是永遠均勻地流逝著, 與任何外界無關.”,長度的測量：,長度 = 在與長度方向平行的坐標軸上， 物體兩端坐標值之差,注意：當物體靜止時，

8、兩端坐標不一定同時記錄； 當物體運動時，兩端坐標必須同時記錄。,由伽利略變換：,即：尺的長度與其運動狀態(tài)無關； 空間測量與慣性系的選擇無關。,直尺長度,設直尺相對于S系靜止,“絕對空間就其本質而言是與任何外界事物無關的，它從不運動, 并且永遠不變.”,空間先于運動存在，是盛放物質的容器和物質運動的舞臺。,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。,時間、空間彼此獨立，而且與物質、運動無關。,28,三 . 力學相對性原理與伽利略變換相協調,要求力學定律在一切慣性系中數學形式相同,給出不同慣性系中對運動描述的關聯,29,牛頓第二定律及由其導出的一切經典力學定律在不同慣性系中數學形

9、式相同。,牛頓第二定律及由其導出的一切經典力學定律在不同慣性系中數學形式相同。,由對稱性思想： 伽利略變換也應該是其它物理理論的對稱操作,31,對于不同的慣性系，電磁現象基本規(guī)律的形式是一樣的嗎 ？,真空中的光速,對于兩個不同的慣性參考系 , 光速滿足伽利略變換嗎 ？,四、伽利略變換的疑難,32,結果:觀察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.,試計算球被投出前后的瞬間，球所發(fā)出的光波達到觀察者所需要的時間. (根據伽利略變換),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。北宋天文學家記載從公元 1054年 1056年均能用肉

10、眼觀察, 特別是開始的 23 天, 白天也能看見 .,物質飛散速度,當一顆恒星在發(fā)生超新星爆發(fā)時, 它的外圍物質向四面八方飛散, 即有些拋射物向著地球運動, 現研究超新星爆發(fā)過程中光線傳播引起的疑問 .,34,實際持續(xù)時間約為 22 個月, 這怎么解釋 ?,理論計算觀察到超新性爆發(fā)的強光的時間持續(xù)約,35,邁克爾孫 莫雷實驗的設計思想,人們假設超新星發(fā)出的光，其傳播速度只與傳播介質的運動速度有關， 而與爆發(fā)物的速度無關 .傳播光的介質為“以太” , 在“以太”絕對參考系中光向各個方向傳播速度均為 . 若把“以太”比喻作無處不在的大氣 , 在其中飛行的地球應感到迎面吹來的以太風 .,為了測量地球

11、相對于“以太”的運動 , 1881年邁克爾孫用他自制的干涉儀進行測量, 沒有結果 . 1887年他與莫雷以更高的精度重新做了此類實驗,仍得到零結果, 即未觀測到地球相對“以太”的運動 .,36,邁克爾遜 莫雷實驗,光路,虛膜,演示,當時認為光在“以太”（ether）中以速度c傳播。,實驗目的：干涉儀轉90，觀測干涉條紋是否移動？,實驗結果：條紋無移動(零結果)。以太不存在，光速與參考系無關。,設“以太”相對太陽靜止。,干涉儀轉90后,按照伽利略速度變換,，時間間隔變成,干涉儀轉90引起時間差的變化為,由干涉理論，時間差的變化引起的移動條紋數,對于,但實驗值為,40,尋找絕對參照系 “以太”的實驗設想,若以太存在，以太中光速一定，但地球在以太中運動，對地球上的觀察者來說，不同方向的光速應不同，實驗中兩束光的傳播應有時間差。 實驗結果是否定的！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，光速與參考系無關。,光線不服從經典的速度合成律，光速不變！,“還在學生時代，我就在想這個問題了。我知道邁克耳遜實驗的奇怪結果。我很快得出結論：如果我們承認麥克爾遜的零結果是事實，那么地球相對以太運動的想法就是錯誤的。這是引導我走向狹義相對論的最早的想法?！?愛因斯坦