伽利略变换经典时空观
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01、伽利略变换和经典时空观
牛顿力学中力和质量都与参考系的选择无关， 在不同惯性系中 a ' a 所以 F m a 的形式不变.
一切力学规律在不同的惯性系中应有相 同的形式。 ——（力学相对性原理） 用力学实验无法判定一个惯性系的运动状态。
牛顿的相 对性原理
宏观低速物体的力学规律 在任何惯性系中形式相同
（所谓经典力学遇到障碍就是经典力学的时空观出现 了问题，相对论从根本上改变了经典的时空观。）
相对论有狭义相对论和广义相对论之分：
狭义相对论（special relativity） 关于惯性系时空观的理论； 广义相对论（General relativity） 关于一般参照系及引力的理论；
力学——研究物体的运动。
如：动量守恒定律（以两质点碰撞为例）
S
m11 m2 2 m110 m2 20
利用伽利略变换
' m1 ( '1 u ) m2 (2 u ) m1 ( '10 u ) m2 ( '20 u )
S
m11 m2 2 m110 m2 20
v' v u
a' a
二、经典的时空观
“绝对的‛-----与所选的参照系无关！
①.经典时空中长度的量度是绝对的。
x ' 2 x 2 vt 2
t1 t 2
x '1 x1 vt 1
S
S' v
S系中同时测量棒的两端：
o z
o'
x1 ' x1 l
x2' x2
概述(Summarize) 19世纪末页，牛顿定律在各个领域里都取 得了很大的成功：在机械运动方面不用说，在 分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气 体的内能。在电磁学方面，建立了一个能推断 一切电磁现象的 Maxwell方程。另外还找到了 力、电、光、声----等都遵循的规律---能量 转化与守恒定律。 当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜 利之中。他们认为物理学已经发展到头了。
伽利略变换关系 牛顿的绝对时空观
自然和自然规律隐藏在黑暗之中， 上帝说“让牛顿降生吧”， 一切就有了光明。
三百年前，牛顿站在巨人的肩膀上，建立了动力学三 大定律。
这三大定律是构 成经典力学的理论基 础，是解决机械运动 问题的基本理论依据。
伊萨克·牛顿爵士 静静地躺在这里。 他以超人的智慧， 第一个证明了， 行星的运动和形状， 彗星的轨道和海洋的潮汐。 他孜孜不倦地研究 光线的各种不同的折射角， 颜色产生的种种性质。 对于自然，历史和圣经 他是一位勤勉，敏锐而忠实的诠释者。 他以自己的哲学证明了上帝的庄严， 并在他举止中表现了福音的淳朴 让人类欢呼吧， 曾经存在过这样一位 伟大的人类之光。
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
狭义相对论基础
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
引言： 什么是相对论？ 关于空间、时间和物质运动之间相互关系的现
代物理理论
自然和自然规律隐藏在黑暗之中， 上帝说“让牛顿降生吧”， 一切就有了光明。 三百年前，牛顿建立了动力学三大定律。
这三大定律是构成 经典力学的理论基础， 是解决机械运动问题的 基本理论依据。
v
v
u
加速度
变换公式
ax
ax
du dt
ay ay
az az
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
加速度变换公式
a'x ax a'y ay
a'z az
a a'
s y s' y'
y y'
vt
o
z z
o' z' z'
u
x'
x
P(x, y, z) * (x', y', z')
三百年前，牛顿站在巨人的肩膀上，建立了动力学三 大定律。
这三大定律是构 成经典力学的理论基 础，是解决机械运动 问题的基本理论依据。
伊萨克·牛顿爵士 静静地躺在这里。 他以超人的智慧， 第一个证明了， 行星的运动和形状， 彗星的轨道和海洋的潮汐。 他孜孜不倦地研究 光线的各种不同的折射角， 颜色产生的种种性质。 对于自然，历史和圣经 他是一位勤勉，敏锐而忠实的诠释者。 他以自己的哲学证明了上帝的庄严， 并在他举止中表现了福音的淳朴 让人类欢呼吧， 曾经存在过这样一位 伟大的人类之光。
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
狭义相对论基础
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
引言： 什么是相对论？ 关于空间、时间和物质运动之间相互关系的现
代物理理论
自然和自然规律隐藏在黑暗之中， 上帝说“让牛顿降生吧”， 一切就有了光明。 三百年前，牛顿建立了动力学三大定律。
这三大定律是构成 经典力学的理论基础， 是解决机械运动问题的 基本理论依据。
v
v
u
加速度
变换公式
ax
ax
du dt
ay ay
az az
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
加速度变换公式
a'x ax a'y ay
a'z az
a a'
s y s' y'
y y'
vt
o
z z
o' z' z'
u
x'
x
P(x, y, z) * (x', y', z')
相对论1(伽利略变换 经典时空观)
S
r Yu
S′ B A
vx −u X O ′= vx = 0.994c u r r r 1− 2 vx vAB = vA地 + v地B c vABx = vA地 + v地B =1.8c (2)由矢量合成法则： 由矢量合成法则： 由矢量合成法则
例:质点相对于地球以速率0.80C向北运动, 宇宙飞船 质点相对于地球以速率0.80C向北运动, 0.80C向北运动 相对于地球以速率0.98C向东飞行, 0.98C向东飞行 相对于地球以速率0.98C向东飞行,问飞船中的观察者 测得这一质点的速度如何? 测得这一质点的速度如何? r r v 解: 地球 地球---S系 飞船 系 飞船---S’系 系
s
G T
v v
v c
v -v
v -v
G
c2 −v2
v c
c2 − v2
系看） （从 s'系看） 以太”参考系为S系 设“以太”参考系为 系，实验室为 s' GM 2 = GM 1 = l 系 G M1 G G M2 G T
s
G M1
2l l l M t2 = t1 = + 2 2 c 1− v c c −v c + v v 2 2 v ∆ = c∆t ≈ l v ∆N = 2 ∆ ≈ 2l v 2 λ λc 2 c
2
l = 10 m , λ = 500 nm , v = 3 × 10 m/s 仪器可测量精度 ∆N → 0.01 ∆N ≈ 0.4
4
v ∆N = ≈ 2l 2 λ λc
2∆
2
实验结果
∆N = 0
未观察到地球相对于“以太”的运动 观察到地球相对于“以太”的运动. 人们为维护“以太”观念作了种种努力， 人们为维护“以太”观念作了种种努力， 提出了 各种理论 ，但这些理论或与天文观察，或与其它的实 但这些理论或与天文观察， 验相矛盾，最后均以失败 失败告终 验相矛盾，最后均以失败告终 .
3-1 伽利略变换和经典力学时空观
3.1 伽利略变换和经典力学时空观
第3章 相对论
然而开尔文又说道： 但是，在物理学晴朗天空的远处， 然而开尔文又说道：“但是，在物理学晴朗天空的远处， 还有两朵令人不安的乌云，----” 还有两朵令人不安的乌云，----
热辐射实验
迈克尔逊迈克尔逊莫雷实验
后来的事实证明，正是这两朵乌云发展为一埸革命的风暴，乌 后来的事实证明，正是这两朵乌云发展为一埸革命的风暴， 云落地化为一埸春雨， 云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。 量 子 相 力 对 学 论 的 问 诞 世 生
t = t′
3.1 伽利略变换和经典力学时空观
第3章 相对论
2.空间是绝对的， 2.空间是绝对的，与物质的运动无关 空间是绝对的 空间只是物质运动的“场所” 是永恒不变、 空间只是物质运动的“场所”，是永恒不变、绝 对静止的。 对静止的。 空间的量度（如两点间的距离）也是永恒不变的。 空间的量度（如两点间的距离）也是永恒不变的。 3.质量是绝对的， 3.质量是绝对的，与物质的运动无关 质量是绝对的
3.1 伽利略变换和经典力学时空观
第3章 相对论
3.1.1 伽利略变换式 经典力学的相对性原理 相对于不同的参考系 , 经典力学定律的形式是 完全一样的吗 ？ 牛顿力学的回答: 牛顿力学的回答 对于任何惯性参照系 , 牛顿力学的规律都具有 相同的形式 . 这就是经典力学的相对性原理 . 而伽利略变换式就是在牛顿的绝对时空观基 础上给出的时空坐标变换关系式。 础上给出的时空坐标变换关系式。
m = m′
4.力是绝对的，与物质的运动无关 力是绝对的， 力是绝对的
′ F=F
牛顿的绝对时空观
牛顿力学的相对性原理
绝对时空观是不正确的. 实践已证明 , 绝对时空观是不正确的
4-1 伽利略变换关系 牛顿的绝对时空观
4 - 2 狭义相对论的基本原理
Albert Einstein ( 1879 – 1955 ) 20世纪最伟大的物理学家, 于 1905年和1915年先后创立了狭义相 对论和广义相对论, 他于1905年提 出了光量子假设, 为此他于1921年 获得诺贝尔物理学奖, 他还在量子 理论方面具有很多的重要的贡献 .
伽利略相对性原理
S
S
F F
m
m
a a
F ma F ma
牛顿力学中：
相互作用是客观的，力与参考系无关。 质量的测量与运动无关。 据伽利略变换
a a
宏观低速物体的力学规律在任何惯性系中形式相同
或 牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变
A B
cv
c
l = 5000 光年
A 点光线到达 地球所需时间
l tA cv
B 点光线到达 tB 地球所需时间
l c
理论计算观察到超新性爆发的强光的时间持续约
t t B t A 25年
实际持续时间约为 22 个月, 这怎么解释 ? 物质飞散速度 v 1500km/s
u
P
ut x o o
Z
Z
x
x
速度变换
dr v dt dr v dt
v v x u a a du a a x x x x x dt a a y 正 v v y y y ay a y u 常量 vz vz a az a a z z z
s
y' y
z' z
z
o
z'
o'
x' x
ux t 2 t ' c (t u2 x) 2 c 1
伽利略变换和经典力学时空观 优质课件
x x ut 1 (u c)2
t
t
u c2
x
1 (u c)2
t
t
u c2
x
1 (u c)2
对于洛仑兹变换的说明：
1、在狭义相对论中，洛仑兹变换占据中心地位；
2、洛仑兹变换是同一事件在不同惯性系中两组 时空坐标之间的变换方程；
3、各个惯性系中的时间、空间量度的基准必须一致；
u c
(1
u2 c2
)
1
有 x x ut y y z z t t
伽利略变换
例1：一短跑选手，在地球上以10s的时间跑完100m，在飞行速
率为0.98c的飞船中观测者看来，这个选手跑了多长时间和多长
距离（设飞船沿跑道的竞跑方向航行）？
1
1 2
1
1
u2 c2
y S
u
o x
P (x, y, z,t) (x, y, z, t) x x
二、洛仑兹变换式 时空变换关系
正变换 S S
x x ut
y y
z z
t
(t
u c2
x)
其中
1
1 2
1
1
牛顿力学 长度标度 质量的测量
与参考系无关
速度与参考系有关 (相对性)
狭义相对论 力学
光速不变
长度、时间、质量与 参考系有关(相对性)
二、洛仑兹变换式 时空变换关系
正变换 S S
x x ut
y y
z z
z
t
(t
u c2
x)
y S
ut o
x z
伽利略变换经典时空观
三、经典时空观
经典时空观（绝对时空观）认为：时间与空 间都是绝对的，彼此无关的，独立于运动之外的。
1.长度不变，
2.时间不变， 3.绝对同时性， 4.质量不变， 5.惯性系中所有力学规律相同。
牛顿定律成功地解决了低速、宏观物体的运动问 题
设计制作 干耀国
山东科技大学济南校区
一、伽利略变换
1.伽利略坐标变换
S
y
S'
y'
u
惯性系S （相对观察者）静 止, S’系沿S的ox 轴以 u作 o 匀速直线 运动。则， S’也 是惯性系. z O、O’重合时 t t ' 0 同一物理事件P在 两参照系下的时空 坐标之间的关系 （坐标变换）：
S
ut
z'
x' x
P
x x'
z z
t t
v' v - u
a' a
二、力学的相对性原理 a F ma S F m F ma S F m a
牛顿力学中力和质量都与参考系的选择无关， 在不同惯性系中 a ' a 所以F m a 的形式不变.
牛顿曾说：绝对空间，就其 本性而然，与外界任何事物 无关，而永远都是一样的。 还说过：绝对的、真正的和 数学的时间自己流逝着，并 由于它的本性而均匀地与任 何外界对象无关地流逝着。 《清华》三版 P254
2.时间不变， 3.绝对同时性，
4.质量不变， 5.惯性系中所有
力学规律相同。
3.速度、加速度变换
坐标变换
x x - ut y y
dr dt
1 伽利略变换关系 牛顿的绝对时空观
实践已证明 , 绝对时空观是不正确的.
伽利略变换式
牛顿的绝对时空观
相对论
对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式 是一样的吗 ？ 真空中的光速
c
1
0 0
2.998 108 m/s
对于两个不同的 惯性参考系 , 光速满 足伽利略变换吗 ？
s
o
y
s'
o' z'
y'
v c
c ' c v?
伽利略变换式
牛顿的绝对时空观
相对论
蟹状星云还是强红外源、紫外源、X射线源和 γ射线源。它的总辐射光度的量级比太阳强几万 倍。1968年发现该星云中的射电脉冲星，它的脉 冲周期是0.0331秒,为已知脉冲星中周期最短的一 个。目前已公认，脉冲星是快速自旋的中子星,有 极强的磁性,是超新星爆发时形成的坍缩致密星。 蟹状星云脉冲星的质量约为一个太阳质量，其发 光气体的质量也约达一个太阳质量，可见该星云 爆发前是质量比太阳大若干倍的大天体。星云距 离约6300光年，星云大小约12光年×7光年。
s'
y'
当
t t' 0
时
y'
v
x'
x
o 与 o'重合
位置坐标变换公式
vt
o' z' z'
P( x, y, z) * ( x ', y ', z ')
x' x vt
z z
x' x
z' z
t' t
y' y
经典力学认为：1）空间的 量度是绝对的，与参考系无关； 2）时间的量度也是绝对的，与 参考系无关 .
伽利略变换关系 牛顿的绝对时空观
N 0
未观察到地球相对于“以太”的运动. 人们为维护“以太”观念作了种种努力， 提出了 各种理论 ，但这些理论或与天文观察，或与其它的实 验相矛盾，最后均以失败告终 .
18 - 1 伽利略变换式
牛顿的绝对时空观
§18.3 狭义相对论的基本原理 Lorentz变换式
18 - 1 伽利略变换式
一 伽利略变换式 经典力学的相对性原理 相对于不同的参考系 , 经典力学定律的形式是
完全一样的吗 ？
牛顿力学的回答: 对于任何惯性参照系 , 牛顿力学的规律都具有 相同的形式 . 这就是经典力学的相对性原理 .
18 - 1 伽利略变换式
牛顿的绝对时空观
伽利略变换 当 t t' 0 时
s
y
y
s'
牛顿的绝对时空观
Albert Einstein ( 1879 – 1955 ) 20世纪最伟大的物理学家, 于 1905年和1915年先后创立了狭义相 对论和广义相对论, 他于1905年提 出了光量子假设, 为此他于1921年 获得诺贝尔物理学奖, 他还在量子 理论方面具有很多的重要的贡献 .
爱因斯坦的哲学观念：自然 界应当是和谐而简单的.
理论特色：出于简单而归于 深奥.
18 - 1 伽利略变换式
一
狭义相对论的基本原理
牛顿的绝对时空观
1）爱因斯坦相对性原理：物理定律在所有的 惯性系中都具有相同的表达形式 . 相对性原理是自然界的普遍规律. 所有的惯性参考系都是等价的 . 2）光速不变原理： 真空中的光速是常量，它 与光源或观察者的运动无关，即不依赖于惯性系的 选择. 关键概念：相对性和不变性 .
c
z z'
t ( t '
13.1 经典力学的伽利略变换与时空观
F ma
F ma
结论：牛顿运动定律对任何惯性系都是成立的
推广：对于所有的惯性系，牛顿力学的规律都应有
相同的形式——力学相对性原理。
6
大学物理 第一版
12.1 经典力学的伽利略变换与时空观
二 经典力学时空观 绝对空间:空间与运动无关,空间绝对静止. 空间的度量与惯性系无关,绝对不变． 绝对时间: 时间均匀流逝,与物质运动无关 ,所有惯性系有统一的时间.
大学物理 第一版
12.1 经典力学的伽利略变换与时空观
经典物理
物理学 现代物理
力学 经典物理学的辉煌成就 热学 电磁学 经典力学 牛顿 、拉格郎日等 热力学与统计力学 克劳修斯、开 光学 相对论 量子论 电动力学 安培、法拉第、麦克斯韦 非线性 光学 牛顿、惠更斯、杨氏、菲涅尔
尔文、玻尔兹曼
从经典物理学到近代物理过渡时期的重要实验事实 • • • • • 迈克尔逊——莫雷实验：否定了绝对参考系的存在； 经典物理学解释热辐射现象时：出现“紫外灾难”； 放射性现象的发现：原子是可分的。 光电效应 原子的线状光谱
12.1 经典力学的伽利略变换与时空观
A 点光线到达 地球所需时间 B 点光线到达 地球所需时间
l tA cv l tB c
物质飞散速度 v 1500km/s
A B
cv
c
l = 5000 光年
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大学物理 第一版
12.1 经典力学的伽利略变换与时空观
理论计算观察到超新星爆发的强光 的时间持续约 t t B t A 25年 .实际持 续时间约为 22 个月, 这怎么解释 ?
t1 t2
15
大学物理 第一版
12.1 经典力学的伽利略变换与时空观
1.1经典时空观 伽利略变换与力学相对性原理
′ ′ ′ ′ ′ ′ l ′ = ( x2 − x1 ) 2 + ( y2 − y1 ) 2 + ( z 2 − z1 ) 2 ⇒ l′ = l l = ( x2 − x1 ) 2 + ( y2 − y1 ) 2 + ( z 2 − z1 ) 2
3. 力是不变量 力是不变量: 经典力学认为质点质量与它的运动无关
爱因斯坦( 名言: 爱因斯坦 Einstein A., 1879-1955)名言 名言 真正有价值的东西, 来源于对人类和客观事物的热爱。 真正有价值的东西, 来源于对人类和客观事物的热爱。
§1.1 经典时空观 伽利略变换(简称 简称“ 伽利略变换 简称“GT”) 与力学相对性原理
一、对相对性的看法
对力学规律而言所有惯性系都是等价的（平权的） 对力学规律而言所有惯性系都是等价的（平权的）
无特殊惯性系， 无特殊惯性系，无绝对惯性系
1632年伽利略在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》 年伽利略在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》 年伽利略在 中作了十分生动的描述： 中作了十分生动的描述：“……把你和一些朋友关在一条大 把你和一些朋友关在一条大 船甲板下的主舱里，再让你们带几只苍蝇、 船甲板下的主舱里，再让你们带几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞 舱内放只大水碗，其中放几条鱼。然后，挂上一个水瓶， 虫，舱内放只大水碗，其中放几条鱼。然后，挂上一个水瓶， 让水一滴一滴地滴到下面的宽口罐里。船停着不动时， 让水一滴一滴地滴到下面的宽口罐里。船停着不动时，你留 神观察，小虫都以等速向舱内各方向飞行， 神观察，小虫都以等速向舱内各方向飞行，鱼向各个方向随 便游动，水滴滴到下面的罐子中， 便游动，水滴滴到下面的罐子中，你把任何东西扔给你的朋 友时，只要距离相等， 友时，只要距离相等，向这一方向不必比另一方向用更多的 你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相等。 力，你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相等。当你 仔细地观察这些事情后（虽然当船停止时， 仔细地观察这些事情后（虽然当船停止时，事情无疑一定是 这样发生的），再使船以任何速度前进，只要运动是匀速的， ），再使船以任何速度前进 这样发生的），再使船以任何速度前进，只要运动是匀速的， 也不忽左忽右地摆动，你将发现， 也不忽左忽右地摆动，你将发现，所有上述现象丝毫没有变 换，你也无法从其中任何一个现象来确定船是在运动还是停 着不动， 着不动，……”
第十九章狭义相对论基础
第十九章 狭义相对论基础§15-1相对论运动学【基本内容】一、洛仑兹变换1、伽利略变换和经典力学时空观（1）力学相对性原理：一切惯性系，对力学定律都是等价的。
理解：该原理仅指出：力学定律在一切惯性系中，具有完全相同的形式。
对其它运动形式（电磁运动、光的运动）并未说明。
（2）伽利略变换分别在两惯性系S 和S '系中对同一质点的运动状态进行观察，P 点的坐标为：),,(:),,,(:z y x S z y x S ''''S 系中： S '系中t t t u x x '='+'=tt utx x ='-='上式S 与S '的坐标变换关系叫伽利略坐标变换。
（3）经典力学时空观在伽利略变换下：（1）时间间隔是不变量t t '∆=∆。
（2）空间间隔是不变量r r ∆='∆。
在任何惯性系中，测量同一事件发生的时间间隔和空间间隔，测量结果相同。
经典力学时空观： 时间和空间是彼此独立，互不相关的，且独立于物质的运动之外的东西。
2、洛仑兹变换 （1）爱因斯坦假设相对性原理：物理学定律与惯性系的选择无关，一切惯性系都是等价的。
光速不变原理：一切惯性系中，真空中的光速都是c 。
（2）洛仑兹变换在两惯性系S 和S '下中，观察同一事件的时空坐标分别为：),,(:),,,(:z y x S z y x S ''''洛仑兹正变换：洛仑兹逆变换)()(2x c ut t t u x x '+'='+'=γγ)()(2x c u t t ut x x -='-='γγ其中22/1/1c u -=γ 或2/11γ-=c u二、狭义相对论的时空观1.一般讨论设有两事件A 和B ，其发生的时间和地点为：S 系中观测：S /系中观测：)(,A A x t A)(,B B x t B)(,A A x t A '' )(,B B x t B ''时间间隔： A B t t t -=∆A B t t t '-'='∆空间间隔：A B x x x -=∆A B x x x '-'='∆目的：寻求的关系与和与x x t t '∆∆'∆∆ 方法：由洛仑变换和逆变换可得其关系。
2020湖南师大附中物理竞赛辅导课件A伽利略变换和经典力学时空观(共14张PPT)
u
按伽里略变换 S/系中 c-u.
x 0/
x/
6
如何解释出现的矛盾呢? 问题集中在经典电磁学的以太假说． 当时人们认为麦克斯韦方程只有在相对以太
“绝对静止”的惯性坐标系中成立。 电磁波在 “绝对静止”的惯性系中沿各方向传
播的速度都等于恒量要找到以太，或 “绝对静 止”的惯性坐标系
一、伽利略变换 经典力学时空观
如图所示.设时刻t＝t/＝0时，两坐标系的坐标原
点O与O′重合.
伽利略坐标变换方程
S
S/
u
P
x / x ut
y/
y
x x / ut /
y
y/
o x
o/ x x/
x/
z
/
z
z
z/
t / t
t t /
时间间隔与参照
空间间隔与参照 系的运动无关
系的运动无关 tt
ll
4
二、伽利略相对性原理
一切彼此作匀速直线运动的惯性系，对描述 运动的力学规律来说是完全相同的.
或者说力学规律对一切惯性系都是等价的.这就 是力学的相对性原理，也称伽利略相对性原理.
/ x
x
u
/ y
y
/ z
z
a
/ x
ax
du dt
a
/ y
ay
a
/ z
az
在所有惯性系中，加速度是不变量. 经典力学中:m/＝m， 在S中有 F＝ma，在S/系中一定有F/＝m/a/.
2020 高中物理竞赛
普通物理学
湖南师大附中
第3章 相 对 论
2
爱因斯坦 Albert Einstein
1879-1955 德裔瑞士人，美国苏黎世大 学、普林斯顿高等研究院理论 物理学家相对论的创建者. 因在理论物理学上的发现， 特别是发现了光电效应的定律. 于 1921年获诺贝尔物理学奖.
14-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
s
y
y
s'
y'
y'
v
*P(x, y, z)
vt
x'
o
o'x
zz z'z'
( x', y', z')
x'
x
u u v
第十四章 相对论
6
物理学
14-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
第五版
（3）加速度变换
ax ax
ay ay
a a
az az
s
y
y
s'
y'
y'
zz z'z'
*P(x, y, z)
( x', y', z')
x'
x
t t
x x vt y y z z t t
第十四章 相对论
5
物理学
14-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
第五版
ux ux v
（2）速度变换 uy u y
uz uz
第十四章 相对论
2
物理学
14-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
第五版
一 经典力学时空观
绝对空间：与运动无关，度量与惯性系无关。 绝对时间：与运动无关，所有惯性系有统一时间。
v
B
A
两相对作直线运动参考系中：时间与空间测量
绝对，与参考系无关。
第十四章 相对论
3
物理学
14-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
o
o'x
z'z'
18.1力学相对性原理,伽利略变换和经典力学时空观
18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观
3 重新定位伽利略变换,改造经典力学, 寻求对电磁理论和改造后的力学定律均为 对称操作的“新变换” 1、2、无一例外遭到失败,爱因斯坦选 择 3、取得成功
18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观
爱因斯坦的选择来自坚定的信念: 自然的设计是对称的,不仅力学规律在所 有的惯性系中有相同的数学形式,所有的物理 规律都应与惯性系的选择无关. 实验结果说明,在所有惯性系中,真空中的 光速恒为c ,伽利略变换以及导致伽利略变换 的牛顿绝对时空观有问题,必须寻找新的变换, 建立新的时空观.
对双星星光的观测,没有类似结果！
18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观
双星:两颗绕共同质心做 椭圆运动的恒星系 －星星的华尔兹. 对双星星光的观测,没有发现由于伽利略变 换引起的结果. 对1054年超新星爆发光度衰变观测等实验 同样没有发现由于伽利略变换引起的结果. 光速与光发射体的运动无关,不遵从伽利略变换
18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观
相对性原理的普遍性(对称性) 伽利略变换(经典力学) 电磁学定律
三者无法协调
解决困难的途径: 1 否定相对性原理的普遍性,承认惯性系对 电磁学定律不等价,寻找电磁学定律在其中成立 的特殊惯性系. 2 改造电磁学理论,重建具有对伽利略变换不 变性的电磁学定律.
——约利致普朗克的信
两朵乌云： 1 迈克尔孙 -莫雷实验的“零结果” 实验结果与 2 黑体辐射的“紫外灾难” 理论不符 三大发现： 1. 电子:1894年,英国,汤姆孙 因气体导电理论获1906年诺贝尔物理奖 2.X射线:1895年,德国,伦琴 1901年获第一个诺贝尔物理奖 3.放射性:1896年,法国,贝克勒尔发现铀,居里夫 妇发现钋和镭,共同获得1903年诺贝尔物理奖 物理学还存在许多未知领域,有广阔的发展前景.
伽利略变换和经典力学时空观
根据Einstein 相对性原理:
S → S ′ 的 变换为： x ′ = k ( x − ut )
由光速不变原理： 原点重合时，从原点发出一个光脉冲，其空间坐标为： 对S 系：
x = ct
对 S系： ′
x ′ = ct ′
x = k ( x ′ + u t ′)
ct = k ( c + u ) t ′
1
=
u2 1− 2 c
※三、洛仑兹变换式的推导
t = t′ = 0
o o′
重合
y S
ut
o z
S系 : P (x , y , z , t )
S ′系 : P ( x ′ , y ′, z ′ , t ′ )
寻找
x
y′ ( x, y, z, t ) S ′ � i P ( x ′, y ′, z ′, t ′) u o′ x x′ x′
1、当v = c时，得v = c
与光速不变原理一致。
2、当v < c时，得v < c
不可能通过参考系变换实现超光速！
3、对于一维运动
设
′ v = vx , v′ = vx ′ =0 vy = vz = v′ y = vz
′ + u − u v v v = v′ = , ′ u v 1 − uv 1+ 2 2 c c
einstein现代时空的创始人二十世纪的哥白尼31伽利略变换和经典力学时空观一伽利略变换伽利略变换蕴含的时空观同时性的绝对性时间间隔测量的绝对性长度测量的绝对性31伽利略变换和经典力学时空观伽利略变换蕴含的时空观总之在伽利略变换下时间测量和空间测量均与参考系的运动状态无关时间与空间亦不相联系
第三章 相对论