8.1 牛顿相对性原理和伽利略变换.
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二十世纪最伟大的物理学家爱因斯坦(Einstein)现代时空观的创始人《引言》牛 顿 力 学麦克斯韦电磁场理论热力学与经典统计理论两朵小乌云:l“以太”问题l黑体辐射实验狭义相对论量子力学近代物理学两大支柱l 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v 车运动还是静止?经典力学的相对性原理伽利略变换一. 经典力学的相对性原理在所有惯性系中,物体运动所遵循的力学规律相同,具有相同的数学表达形式二. 伽利略变换P( x , y , z , t )( x', y', z ', t ' )Oz yS x在两个参考系中分析描述同一物理事件x'O'z'y 'S 'u在t = t’=0 时刻, S , S‘ 原点重合u t ut x x -='y y ='z z'=tt'=伽利略变换式zz y y x x ''u 'v v v v v v ==-= zz y y x x a a a a tua a ='='-=' d d 绝对时间绝对空间绝对的、数学的与物质存在、运动无关— <<自然哲学的数学原理>>S F m a F 'S 'm 'a ' 在牛顿力学中am F =a m F ''='三. 牛顿运动定律具有伽利略变换的不变性质量与运动无关力与参考系无关mm ='F F '=a a '= 惯性系力学规律经过伽利略变换,数学形式不变。
——伽利略变换的不变性伽利略变换Maxwell 电磁场方程组 是否具有 伽利略变换的不变性?v 车运动还是静止?经典力学的相对性原理伽利略变换一. 经典力学的相对性原理在所有惯性系中,物体运动所遵循的力学规律相同,具有相同的数学表达形式Maxwell 电磁场方程组是否具有伽利略变换的不变性?“以太”的假说光速的伽利略速度变换未能被实验证实sm 10998.2180⨯==μεc 迈克耳逊—莫雷 实验Maxwell 电磁场方程组伽利略速度变换只有在“以太” 中光沿各方向的光速都为CMaxwell 方程组只在“以太”系中成立电磁规律不满足 力学相对性原理力学规律 满 足 力学相对性原理地球上各方向的光速不同一. 迈克尔逊—莫雷实验光 源M 1 镜M 2镜半反半透镜迈克耳逊干涉仪移动 M 1 镜观察屏PSv干涉条纹M 1M 2迈克耳逊 —莫雷实验假设: “以太”相对太阳静止c - v c + v22v c 2πvS干涉条纹M 1M 2O迈克耳逊 — 莫雷实验的零结果?4.0=∆N0 =∆N 预计干涉条纹移动迈克耳逊 —— 莫雷实验假设: “以太”相对太阳静止3/29/2019“以太”的假说光速的伽利略速度变换未能被实验证实s m 10998.21800⨯==μεc 迈克耳逊—莫雷 实验Maxwell 电磁场方程组伽利略速度变换只有在“以太” 中光沿各方向的光速都为CMaxwell 方程组只在“以太”系中成立电磁规律不满足 力学相对性原理力学规律 满 足 力学相对性原理地球上各方向的光速不同一.迈克尔逊—莫雷实验1905年,A.Einstein 首次提出了狭义相对论的两个假设m/s 458 792 299 c 1. 光速不变原理在所有的惯性系中,光在真空中的传播速率为 C说明:l 光速不随观察者的运动而变化l 光速不随光源的运动而变化所有惯性系都处于平等地位,没有任何理由选某一个参考系并把它置于特殊的与众不同的地位。
相对论中的伽利略变换和相对性原理相对论是物理学中的一个重要理论,它描述了物体在不同参考系中的运动和相互作用。
在相对论中,伽利略变换和相对性原理是两个基本概念,它们对于理解相对论的基本原理和推导出相对论的公式具有重要意义。
伽利略变换最早由意大利科学家伽利略提出,它描述了物体在不同参考系中的运动。
根据伽利略变换,当两个参考系之间的相对速度小于光速时,物体的运动可以通过简单的线性变换来描述。
例如,当一个人站在火车上观察另一个人在地面上行走时,他可以通过将地面上的运动速度与火车的运动速度相加来得到行走者在火车上的速度。
这种变换被称为伽利略变换。
然而,当相对速度接近光速时,伽利略变换就不再适用了。
根据实验观测结果,光速在任何参考系中都是恒定的,而不受观测者的运动状态的影响。
这就引出了相对性原理,它指出物理定律在所有惯性参考系中都是相同的。
换句话说,无论我们处于静止还是运动状态,物理定律都应该是一样的。
爱因斯坦在他的狭义相对论中进一步发展了相对性原理。
他提出了一个新的变换关系,即洛伦兹变换,用来描述光速不变的情况下物体在不同参考系中的运动。
洛伦兹变换包含了时间和空间的变换,它将时间和空间视为一个整体,即时空。
根据洛伦兹变换,时间和空间的测量是相对的,取决于观测者的运动状态。
相对论的一个重要结果是时间的相对性。
根据相对论,当两个参考系之间的相对速度接近光速时,时间会发生变化。
这就是著名的时间膨胀效应,即运动的物体相对于静止的物体来说,时间会变慢。
这个效应已经被实验证实,例如在高速飞行的飞机上进行的实验。
另一个相对论的重要结果是长度的相对性。
根据相对论,当两个参考系之间的相对速度接近光速时,长度也会发生变化。
这就是著名的长度收缩效应,即运动的物体相对于静止的物体来说,长度会变短。
这个效应也已经被实验证实,例如在加速器实验中。
相对论的发展对于我们理解宇宙的本质和物质的性质具有重要意义。
它揭示了时间和空间的本质,改变了我们对于物理世界的认识。
节牛顿力学中运动的相对性狭义相对论的两个基本假设1.经典的时空观认为时间是绝对的,空间是绝对的,时间和空间相互独立、互不相关。
2.爱因斯坦狭义相对论认为对不同的惯性系,物理规律都是一样的。
3.在不同的惯性系中,光在真空中传播的速率都是一样的,恒为c,这就是光速不变原理。
[自读教材·抓基础]1.伽利略相对性原理(1)在做匀速直线运动的惯性参考系中,力学现象都以同样的规律进行。
(2)在任何惯性参考系中,力学的规律都是一样的,都可以用牛顿定律来描述。
2.经典时空观牛顿认为:绝对的、真正的和数学的时间在均匀地、与任何外界事物无关地流逝着;绝对空间与外界任何事物无关,永远是相同的和不动的。
时间和空间相互独立、互不相关。
3.伽利略速度变换相对地面以速率u开行的车厢内,物体相对于车厢以速率v′向前运动时,物体对地面的速率就是v=u+v′;如果物体向后运动时,相对于地面的速率就是v=u-v′。
速率从一个参考系变换到另一个参考系的关系式称为伽利略速度变换公式。
[跟随名师·解疑难]1.经典力学的相对性原理的理解(1)经典力学相对性原理:力学规律在任何惯性系中都是相同的,即任何惯性系都是等价的。
但物体相对于不同的参考系运动的结果不同。
(2)理解经典力学的相对性原理应注意的问题:①惯性系和非惯性系。
如果牛顿运动定律在某个参考系中成立,这个参考系叫做惯性系。
相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系,匀速运动的汽车、轮船等作为参考系,就是惯性系。
牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系。
例如我们坐在加速的车厢里,以车厢为参考系观察路边的树木房屋向后方加速运动,根据牛顿运动定律,房屋树木应该受到不为零的合外力作用,但事实上没有,也就是牛顿运动定律不成立。
这里加速的车厢就是非惯性系。
② 这里的力学规律指的是“经典力学规律”。
2.绝对时空观的认识(1)绝对时间:两个同时发生的事件,不论是静止参考系中的观测者还是匀速直线运动参考系中的观测者,他们测得这两个事件发生的时刻都是相同的,某事件经历的时间不会因参考系不同而不同。