用伽利略变换审视牛顿力学
8.1 牛顿相对性原理和伽利略变换.
E mc
m m0
2
总 能 量
E mc
2
2 E m c 静止能量 0 0
v c m
v2 1 2 c
S.R.认为：外力作功动能增加，v 有上限 ，m 无 上限；静止物体虽然没有动能，但是依然蕴藏 着巨大的潜能。
2、辐射实验
c c
S 系：粒子静止、质 m u 量m；2 个 频 率 为 的光子垂直x 轴射 c c u S S 入； 在S'系测量 粒 子的质量、能量 O O 变化。 吸收前 系 统 总 动 量 S 系 S’ 0 吸收后 0
思 考
y S
u
y S
y S y S
O
u x
O
z
z
O
x x
z O
x
z
2、S 沿y 轴运动，洛伦 兹变换式怎样表示？
1、S 逆x 轴运动，洛伦 兹变换式怎样表示？
8. 5
相对论 质量
m m0
一 、电子加速运动实验
1901年德国物理学家考夫 曼（ Kaufmann ）利用镭 的放射性衰变中 射线的 高能电子作实验，发现随 速度增加，电子越来越难 以加速m 越来越大。 第二宇宙速度 11.2 kms-1 第三宇宙速度 17.1 kms-1 高能粒子速度接近 c 实 验 数 据
S
r
l
l l
450
x
u
S'
r
l
l l
2
l 2
l 2
1
2
r r 1
2
l l 1
u2 l l 1 2 2c
y S y S
u
四、速度变换
1伽利略变换关系 牛顿的绝对时空观重点
经典力学的成就和局限性
在上世纪初，发生了三次概念上的革命，它们深刻地 改变了人们对物理世界的了解，这就是狭义相对论 （1905）、广义相对论（1916）和量子力学（1925）。
概括地讲，牛顿力学在20世纪中受到了三次具有革 命性的严重挑战，这就是1905年爱因斯坦建立的狭义相 对论、1925年前后建立起来的量子力学和20世纪60年代 发现的混沌现象。这就向人们明确地揭示了牛顿力学局 限性之所在。
科学的语言必须准确！必须用物理规律
来表述。
应该用万有引力定律：即认为
下：指向地心。
B君
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 .
第 狭义相对论力学基础
本章内容：4.1 力学相对性原理 伽利略坐标变换式 4.2 狭义相对论的两个基本假设 4.3 洛伦兹坐标变换式 4.4 狭义相对论的时空观 4.5 狭义相对论质点动力学简介
认识相对性：教育人们要脱离自我，客观地看问题。 A君
什么是上？下？ A君说：头朝上。 B君也说：头朝上。 但，A 君 看 B 君，大头朝下！
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.
1895年(16岁)：追光假想实验(如果我以速 度c追随一条光线运动，那么我就应当看到， 这样一条光线就好象在空间里振荡着而停 滞不前的电磁场。可是无论是依据经验， 还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这 样的事情。从一开始，在我直觉地看来就 很清楚，从这样一个观察者来判断，一切 都应当象一个相对于地球是静止的观察者 所看到的那样按照同样一些定律进行。)
15-1伽利略变换关系牛顿的绝对时空观1 共12页
S: Px, y, z,t
vt
o
z
o' z'
z z'
x'
x
(x', y', z')
x'
x
S : Px,y,z,t
时空坐标
S S'
正 变
变换公式
换
x'x v t xx'vt'
y ' y 逆 y y'
z' z 变
t' t 换
zz' S'S
15 - 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
15 - 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
教学基本要求
一 了解爱因斯坦狭义相对论的两条基本原 理，以及在此基础上建立起来的洛伦兹变换式.
二 了解狭义相对论中同时的相对性，以及 长度收缩和时间延缓的概念，了解牛顿力学的 时空观和狭义相对论的时空观以及二者的差异.
爱因斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟大的内容。这使人们想起英 国诗人波谱歌颂牛顿的诗句:
自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中， 上帝说：“让牛顿去吧，”于是一切都成为光明。 后人续写道: 上帝说完多少年之后， 魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。
15 - 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
牛顿力学 麦克斯韦电磁场理论 热力学与经典统计理论
19世纪后期，经典物理 学的三大理论体系使经 典物理学已趋于成熟。
两朵小乌云 迈克耳逊—莫雷“以太漂移”实验 黑体辐射实验
强调
狭义相对论 量子力学
近代物理学的两大 支柱，逐步建立了 新的物理理论。
用伽利略变换证明牛顿第二定律
用伽利略变换证明牛顿第二定律牛顿第二定律是经典物理力学中的一个重要定理，描述了物体的运动状态与受力之间的关系。
伽利略变换是伽利略在16世纪提出的一种变换方法，可以用来描述不同参考系下物体的运动情况。
本文将通过伽利略变换来证明牛顿第二定律，以探讨这两个理论在物理学中的关系。
首先，我们来回顾一下牛顿第二定律的表达式：F = ma。
其中，F代表作用在物体上的力，m代表物体的质量，a代表物体的加速度。
这个定律告诉我们，当物体受到外力作用时，它的运动状态将会发生变化，加速度的大小与所受力的大小成正比，与物体的质量成反比。
这个定律被实验验证了很多次，是经验的总结，对于描述物体运动的规律非常准确。
然而，在牛顿时代之前，人们对于物体受力和运动的认识还比较模糊。
直到伽利略提出他的伽利略变换理论，才为人们揭示了运动状态的相对性。
伽利略变换是一种物理量在不同参考系下的变化关系，可以描述在相对静止的参考系中观察到的物体运动情况。
假设现在有一个运动的物体，我们在两个不同的参考系下进行观察。
第一个参考系S是一个固定不动的观察者，第二个参考系S'是相对于第一个参考系以一定速度运动的观察者。
在参考系S中，物体的运动状态可以用位置、速度和加速度来描述。
而在参考系S'中，物体相对于观察者S'的运动状态也可以用同样的物理量来描述，只是数值上可能有所不同。
根据伽利略变换的推导，我们可以得到物体在两个不同参考系下的加速度之间的关系：a' = a - v/t其中，a'是相对于观察者S'的加速度，a是相对于观察者S的加速度，v是S'相对于S的速度差，t是观察时间。
接下来，我们将用伽利略变换来证明牛顿第二定律。
假设物体在参考系S中受到一个恒定的力F作用，根据牛顿第二定律，我们有F = ma。
现在，我们观察物体的运动情况在参考系S'中。
根据伽利略变换，物体在参考系S'中的加速度a'可以表示为：a' = a - v/t将牛顿第二定律的表达式代入上式，可以得到：F = ma = m(a' + v/t)进一步整理可得：F = ma' + mv/t注意到v/t可以表示为加速度a的导数，即v/t = dv/dt = a。
15-1 伽利略变换关系 牛顿力学相对性原理遇到的的困难
物理学教程 （第二版）
教学基本要求
一 了解爱因斯坦狭义相对论的两条基本原 理，以及在此基础上建立起来的洛伦兹变换式. 二 了解狭义相对论中同时的相对性，以及 长度收缩和时间延缓的概念，了解牛顿力学的 时空观和狭义相对论的时空观以及二者的差异.
三 理解狭义相对论中质量、动量与速度的 关系，以及质量与能量间的关系.
牛顿力学的相对性原理 注意 （1）只在宏观、低速的范围成立 （2）与经典力学的绝对时空观密切相关 二 经典力学的绝对时空观 （1）伽利略变换式中 t = t ，表示在所有惯性系中 时间是相同的 ， 即时间与参考系的运动状态无关 ， 时间是绝对的。 在所有惯性系中时间间隔也是相同的，t = t , 即在伽利略变换下时间间隔是绝对的。 （2）在所有惯性系中，任意确定时刻空间两点间的长 度都是相同的 Δ L Δ L ，空间长度与参考系的运动状 态无关，即空间长度是绝对的。
第十五章 狭义 相对论
15 – 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
物理学教程 （第二版）
伽利略速度变换公式
u u
u' x u x v u' y u y u'z uz
a' x a x
s
o
y
s'
o' z' z'
y'
v
x'
x
*
P ( x, y , z ) ( x' , y ' , z ' )
vt
z z
x' x
加速度变换公式
a' y a y
15-1 伽利略变换关系 牛顿的绝对时空观
c
c=
1
ε 0 µ0
= 2.998 × 10 m/s
8oLeabharlann zo' z'
x' x
演示
对于不同的惯性系, 对于不同的惯性系, 光速 满足伽利略变换吗 ？ 根据伽利略变换， 根据伽利略变换，电磁规 律不满足相对性原理。 律不满足相对性原理。
c' = c − v?
伽利略变换 相对性原理 电磁规律
不和谐
1515-1
对于不同的惯性系， （2）力学相对性原理 : 对于不同的惯性系，牛顿 ） 定律具有相同的形式。 定律具有相同的形式。 系中： 在S系中： F = ma 系中 系中： 在S´系中： F ′ = ma′
1515-1
伽利略变换式
牛顿力学相对性原理遇到的困难
第十五章
相对论
三 新的问题 1865年麦克斯韦建立了完整的电磁理论 年麦克斯韦建立了完整的电磁理论， 1865年麦克斯韦建立了完整的电磁理论，其重要 推论是存在电磁波。 推论是存在电磁波。 y' y 对于不同的惯性系， 对于不同的惯性系，电磁 s s' v 规律的形式是一样的吗 ？ 真空中的电磁波(光)波速 真空中的电磁波(
∆ t1 > ∆ t 2
B
结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球 结果 观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球. 观察者先看到投出后的球
a'z = az
在两相互作匀速直线运动的惯性 系中，牛顿运动定律具有相同的形式. 系中，牛顿运动定律具有相同的形式.
1515-1
伽利略变换式
牛顿力学相对性原理遇到的困难
第十五章
相对论
经典力学的基本观点 二 经典力学的基本观点 (1) 经典力学的绝对时空观 经典力学的绝对时空观 时间量度 空间量度 均与惯性系无关
14-1-伽利略变换式-牛顿的绝对时空观
物理学
第五版
14-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
二 经典力学时空观
牛顿的时空观
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 界对象无关的流逝着。
——牛顿
绝对空间，就其本质来说，独立于外界 任何事物，总是始终如一和静止不动的。
第十四章 相对论
——牛顿
物理学
迈克尔逊：静止“以太”假说的结果就这 样被证明为错误。
第十四章 相对论
物理学
第五版
14-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
以后又有许多人在不同季节、时刻、方向 上反复重做迈克尔逊-莫雷实验．近年来, 利用激光使这个实验的精度大为提高,但 结果却没有任何变化．
结论：地球相对于“以太”的运动不存 在；或者作为绝对参考系的“以太”不 存在.
t1
=
c
l −
v
+
c
l +
v
第十四章 相对论
15
物理学
第五版
14-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
M2
M1
sG
T v
G M2
M2
G- v
c
c2 − v2 c
c2 −
GM2 = GM1 = l
G
M2
G
t2 = c
2l 1− v2
c2
第十四章 相对论
16
物理学
第五版
14-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
4、牛顿运动定律不适用于微观领域和能量不连 续的现象.
第十四章 相对论
物理学
第五版
14-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
产生相对论的主要原因：
惯性定律伽利略到牛顿的发现之旅
惯性定律伽利略到牛顿的发现之旅在物理学的发展历史上，惯性定律作为经典力学的基石之一，对我们理解物体运动及其行为有着重要的影响。
伽利略和牛顿两位科学家在惯性定律的发展历程中扮演了至关重要的角色，他们的研究不仅推动了自然科学的进步，也为后来的科学理论奠定了基础。
本文将详细探讨这段历史，揭示伽利略与牛顿如何独立地进行思考与实验，并最终形成了我们今天所理解的惯性定律。
伽利略时期的思考意大利科学家伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）生活在1564年至1642年期间，是文艺复兴时期重要的科学家之一。
他以卓越的观察能力和科学实验方法闻名于世。
在他的早期研究中，伽利略通过对物体运动的观察，质疑了当时普遍接受的亚里士多德关于运动的观念。
物体下落实验伽利略最为著名的实验之一是他关于物体下落的研究。
根据亚里士多德的理论，重物下落速度快于轻物。
伽利略通过自己搭建的斜面实验，发现无论物体重量如何，它们下落到地面所需时间相同。
他推翻了传统观点，通过实际观察和计算，他意识到，所有物体在自由下落过程中，其加速度相同且不受质量影响。
运动与惯性的关系伽利略进一步探讨了运动状态与惯性的关系。
他提出：如果没有外力作用，一个物体将保持其静止或匀速直线运动状态。
这是对惯性概念的初步理解，在当时是一个变革性的思想。
他采用斜面试验，观察小球顺着斜面滚动后，再沿着水平面继续滚动，发现小球在没有阻力影响的情况下可以持续运动。
惯性的定义初探通过这些实验，伽利略明确了惯性即物体维持其原有运动状态（无论是静止还是匀速直线运动）的特性。
他将这一观念与推理结合，在此基础上开始考虑力和加速度之间的关系。
然而，由于缺乏系统化的数学表达，他未能完全形成全面的理论模型。
牛顿时代的革新站在伽利略理论基础上的艾萨克·牛顿（Isaac Newton），于1642年出生于英格兰，并在17世纪末到18世纪初，通过一系列数学化的方法创新展示了力学理论，尤其是在惯性定律上的重大突破。
15-1 伽利略变换关系 牛顿力学相对性原理遇到的的困难
15 – 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
物理学教程 第二版） （第二版）
难点
* 对狭义相对论的时空观的理解 * 运用洛仑兹变换求解运动学问题
学习方法
摆脱日常生活经验的束缚 从基本假设出发进行推理
第十五章 狭义 相对论
15 – 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
试计算球被投出前后的瞬间， 试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达 到观察者所需要的时间. 根据 根据伽利略变换 到观察者所需要的时间 (根据伽利略变换) 球 投 出 前 球 投 出 后
v c
d
d t1 = c
v v v v c +v
d t 2 = c+v
t1 > t 2
结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球 结果 观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球. 观察者先看到投出后的球
15 – 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
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第十五章 狭义相对论 教学基本要求 一.理解爱因斯坦狭义相对论的两条基本原理， 理解爱因斯坦狭义相对论的两条基本原理， 爱因斯坦狭义相对论的两条基本原理 以及在此基础上建立起来的洛伦兹变换式； 以及在此基础上建立起来的洛伦兹变换式； 二.理解狭义相对论中同时的相对性，以及长度 理解狭义相对论中同时的相对性， 狭义相对论中同时的相对性 收缩和时间延缓的概念； 收缩和时间延缓的概念； 了解牛顿力学的时空观和狭义相对论的时空 了解牛顿力学的时空观和狭义相对论的时空 观以及二者的差异； 观以及二者的差异； 狭义相对论中质量、动量与速度的关系， 三.了解狭义相对论中质量、动量与速度的关系， 以及质量与能量间的关系. 以及质量与能量间的关系.
伽利略变换关系 牛顿的绝对时空观
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')
惯性定律伽利略到牛顿的发现之旅
惯性定律伽利略到牛顿的发现之旅惯性定律是物理学中的基础定律之一，描述了物体在没有外力作用下保持匀速直线运动或静止的性质。
这一定律的揭示和演变经历了许多科学家的探索和思考，其中伽利略和牛顿是最为著名的代表。
本文将带领读者回顾惯性定律的发现历程，从伽利略的斜面实验到牛顿的三大运动定律，探讨这一物理学原理的起源与演变。
伽利略：斜面实验与匀速直线运动伽利略（Galileo Galilei，1564-1642）是意大利文艺复兴时期著名的物理学家、天文学家和数学家，被称为“现代科学之父”。
他在力学领域的贡献主要体现在对运动规律的研究上。
伽利略通过斜面实验探讨自由落体现象，揭示了相同高度下不同质量物体具有相同加速度的规律，为后来牛顿的重力理论奠定了基础。
根据伽利略的研究，物体在没有外力作用下会保持匀速直线运动或静止状态，这就是惯性定律最简单的表述。
当外力消失时，物体不会自发改变其运动状态，这种固有的运动状态被称为惯性。
伽利略开启了对自然界中运动规律探究的先河，为后来牛顿建立经典力学提供了思想基础。
牛顿：三大运动定律的确立伽利略提出的匀速直线运动规律为后世科学家提供了宝贵启示。
而在17世纪末，英国科学家艾萨克·牛顿（Isaac Newton，1643-1727）进一步总结、完善并系统化了力学领域的研究成果，提出了著名的三大运动定律。
第一定律：惯性定律试验牛顿第一定律也被称为惯性定律，它指出：物体要么静止，要么以恒定速度直线运动，除非受到外力作用。
这一定律进一步阐释了伽利略关于物体惯性运动状态的假设，确立了在没有外力作用时物体保持原有状态不变这一观念。
第二定律：运动与加速度牛顿第二定律则描述了物体受力情况下的运动状态：物体所受合外力等于其质量与加速度乘积。
简单来说，即F=ma，其中F代表合外力，m代表质量，a代表加速度。
这便是著名的牛顿第二定律公式。
第三定律：作用与反作用牛顿第三定律揭示了自然界中存在着“作用与反作用”的原理：任何一个物体施加在另一个物体上的力都会获得相等大小、方向相反的反作用力。
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
伽利略变换关系牛顿力学相性原理遇到的的困难x
15 – 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
物理学教程 （第二版）
伽利略速度变换
ux u x v u u v uy u y u u z z
加速度变换
ax a x ay a y a a z z
a a
两个参考系对称性
F ma'
F ma
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(牛顿)力学的相对性原理 . 在宏观、低速的范围内，是与实验结果相一致的 .
第十五章 狭义 相对论
15 – 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
物理学教程 （第二版）
15 – 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
物理学教程 （第二版）
“相对论的 兴起是由于实际
需要，是由于旧
理论中的矛盾非
ห้องสมุดไป่ตู้
常严重和深刻，
而看来旧理论对 这些矛盾已经没 法避免了。” ——爱因斯坦
第十五章 狭义 相对论
15 – 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
物理学教程 （第二版）
15 – 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
物理学教程 （第二版）
伽利略坐标变换
x x vt y y 正变换 z z t t x x vt y y 逆变换 z z t t
s y s' y '
c
d
d t1 c
v cv
d t2 cv
t1 t 2
结果:观察者先看到投出后的球,后看到投出前的球?
第十五章 狭义 相对论
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力学相对性原理遇到的的困难
v c v
后
t2
c
d
v
结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.
t1
d c
t1 t2
900 多年前（公元1054年5月）一次著名的超新星爆发， 这次爆发的残骸形成
了著名的金牛星座的蟹状星云。北宋天文学家记载从公元 1054年 ~ 1056年均能用肉 眼观察, 特别是开始的 23 天, 白天也能看见 .
x'Leabharlann x'xx
伽利略变换
当 t t'时 0
o 与 o重合'
位置坐标变换公式
x' x vt
y' y
z' z
t' t
x2 x1 x2 x1
y y'
y y'
vt
o
z z
o' z' z'
v
P(x, y, z) * (x', y', z')
x'
x
x'
x
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 .
“绝对的真实的数学时间, 就其本质而言, 是永远均匀地流逝着, 与任何外界无关.”
“绝对空间就其本质而言是与任何外界事 物无关的，它从不运动, 并且永远不变.”
牛顿的绝对时空观 ➢ 实践已证明 , 绝对时空观是不正确的.
牛顿力学的相对性原理
问：对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式是一样的吗 ？
z
z
注意
牛顿力学的相对性原理， 在宏观、低速的范围内，是与实 验结果相一致的 .
问：相对于不同的参考系 , 长度和时间的测量结果是一样的吗?
1伽利略变换关系 牛顿的绝对时空观
在两个惯性系（实验室参考系S与运动参考系S‘）中考察 同一物理事件。
两组时空坐标之间的关系称为坐标变换。
伽利略坐标变换
当 t t' 0 时
o 与 o'重合
位置坐标变换公式
x' x ut y' y
z' z t' t
s y s' y'
y
y' u
ut
x'
o
z z
o' x z' z'
* P(x, y, z,t)
m
a
F
m
a
F
F
ma
F
ma
ax ax
牛顿运动定律具有伽利略变换的不变性
ay ay
az az
在牛顿力学中 • 力与参考系无关 • 质量与运动无关
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 .
静止系中可不同时测
Y
x1 u
x2
X
运动系中同时测
Y x1 u x2 X 运动系中不同时测
静止系中，杆的长度为
l x2 x1
运动系中，杆的长度为 l x2 x1
据伽利略变换 x1 x1 ut x2 x2 ut
l x2 x x2 x1 l
长度测量是绝对的。
结论：空间两点距离是一个不变量，与参照系的选择和 观察者的运动无关。时间的测量和运动无关,是一个不变量。
与参考系无关
速度与参考系有关 (相对性)
狭义相对论 光速不变 力学
惯性定律伽利略到牛顿的发现之旅
惯性定律伽利略到牛顿的发现之旅惯性定律是经典力学的基石之一，描述了物体在没有受到外力作用时将保持恒定速度或静止的性质。
伽利略和牛顿是惯性定律发现过程中的重要人物，他们通过观察、实验和推理，逐渐揭示了这一自然规律的本质。
本文将带领读者回顾惯性定律的历史发现之旅，从伽利略的斜面实验到牛顿的运动定律，探究这一规律背后的故事和意义。
一、伽利略的斜面实验伽利略（Galileo Galilei，1564-1642）是意大利著名天文学家、物理学家，也被誉为近代科学之父。
他在斜面上滚动小球的实验中，观察到在没有摩擦力作用下，小球会沿着斜面匀速滚动的现象。
通过对运动过程的观察和分析，伽利略提出了“物体在没有受到外力时将保持匀速直线运动”的假设，即惯性定律的雏形。
伽利略通过斜面实验揭示了物体运动的规律，并开始思考物体运动背后的原因。
他认识到惯性定律不仅适用于水平运动，还同样适用于斜面运动，从而为后来牛顿的运动定律奠定了基础。
二、牛顿的三大运动定律伽利略的研究为后来英国科学家牛顿（Isaac Newton，1643-1727）的工作奠定了基础。
牛顿在其《自然哲学的数学原理》中提出了三大运动定律，系统地阐述了物体运动的规律和变化。
牛顿第一定律：也称为惯性定律，描述了当物体受力平衡时将保持静止或匀速直线运动的特性。
这一定律强调了物体在没有外力干扰下会保持原来状态的重要性。
牛顿第二定律：描述了物体受到外力作用时会产生加速度，且加速度大小与外力成正比、与物体质量成反比。
这一定律深化了对物体运动规律的认识，揭示了力与加速度之间的关系。
牛顿第三定律：描述了任何两个物体之间都会互相施加相等大小、方向相反的作用力。
这一定律揭示了作用力与反作用力之间的相互关系，在分析复杂系统时具有重要意义。
三、惯性定律的意义和应用惯性定律是经典力学中最基本、最重要的原理之一，影响着我们对世界运动规律的理解和认识。
在日常生活和科学研究中，均可见到惯性定律的应用和发挥。
伽利略变换关系牛顿力学相对性原理遇到的的困难
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伽利略变换关系、牛顿力学相对性原理遇到的困难
目录
01
添加目录标题
02
伽利略变换关系
03
牛顿力学相对性原理遇到的困难
04
伽利略变换与牛顿力学相对性原理的关系
05
现代物理学对伽利略变换和牛顿力学相对性原理的理解
06
伽利略变换与牛顿力学相对性原理在科学史上的地位和影响
07
总结与展望
01
添加章节标题
02
伽利略变换关系
伽利略变换的基本概念
伽利略变换是描述物体在惯性系中运动的一种数学方法
伽利略变换的基本形式是：x' = x - vt, y' = y, z' = z, t' = t
伽利略变换的核心思想是：在任何惯性系中，物理定律的形式和结果都是一样的
伽利略变换是牛顿力学的基础，但在高速运动和强引力场中会遇到困难
狭义相对论：爱因斯坦提出的理论，重新解释了伽利略变换和牛顿力学相对性原理
广义相对论：爱因斯坦提出的理论，进一步扩展了狭义相对论，解释了引力的本质
量子力学：描述了微观世界的运动规律，与经典力学不同
现代物理学的发展：伽利略变换和牛顿力学相对性原理在现代物理学中仍然有重要的应用，但需要结合其他理论进行解释。
引力场与加速度等价原理：牛顿力学无法解释引力场与加速度可以相互转化的现象
相对论的发展对牛顿力学的影响
相对论的提出：爱因斯坦在1905年提出了狭义相对论，1915年提出了广义相对论
相对论对牛顿力学的挑战：相对论认为时间和空间是相对的，而牛顿力学则认为时间和空间是绝对的
相对论对牛顿力学的修正：相对论对牛顿力学进行了修正，例如在接近光速的情况下，牛顿力学的公式不再适用