18.1力学相对性原理,伽利略变换和经典力学时空观
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伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
同时不同地
2 Δx 0 Δt 0
同地不同时 ------不同时
第十一章 狭义相对论
25
物理 （工）
11-3
狭义相对论的时空观
讨论
v Δt 2 Δx c Δt ' 2 1
S系 S′系 3 Δx 0 Δt 0 ------同时 同时同地 4 Δx 0 Δt 0 ------不同时 不同时不同地 v t 2 x 时 ---同时 c
T
G M1 G
s
l l t1 cv cv
v
v2 Δ ct l 2 c
第十一章 狭义相对论
8
物理 （工）
11-1 M2 M1
伽利略变换 G M2
c 2 v2
经典力学的时空观 M2
s
T
G
v
c
-v
c
-v
G
c 2 v2
（从 s ' 系看）
GM 2 GM 1 l
s
y
o
y
vt
s'
y'
y'
v
x'
o'x
( x ' , y' , z ' )
z z
z'z'
x' x
3
第十一章 狭义相对论
物理 （工）
11-1
伽利略变换
经典力学的时空观
加速度变换
a ax x ay a y
az az
s
y
o
y
vt
s'
y'
y'
v
x'
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。
相对论(RelativityTheory)
即在 S 系中同时同地点发生的两个事件，在 S ' 系中也同时同地点发生。 （3）事件的因果关系不会颠倒，如人出生的先后。 假设在 S 系中，t 时刻在 x 处的质点经过 t 时间后到达 x x 处，则由：
v x 2 c t' v2 1 2 c t
得到
t t ' v v x t 1 2 u 2 c c 2 v v2 1 2 1 2 c c x u t
73
二、经典力学的绝对时空观
2 2 2 | r | ( x) ( y ) ( z ) t t ' t t ' ， r r' 2 2 2 | r' | ( x ' ) ( y ' ) ( z ' )
如果各个惯性参考系中用来测量时间的钟相同，那么任何事件所经历的时间就有绝对不变的 量值，与参考系的相对运动无关。如果各个惯性参考系中用来测量长度的标准相同，那么空 间任何两点间的距离就有绝对不变的量值，与参考系的相对运动无关。这就是绝对时空观
v ( x 2 x1 ) c2 . v2 1 2 c
可见，两个彼此间作匀速运动的惯性系中测得的时间间隔，一般来说是不相等的。 2．讨论 （1）在 S 系中同时发生： t 2 t1 ，但在不同地点发生， x2 x1 ，则有：
v ( x1 x2 ) 2 c t2 't1 ' . 2 1 v / c
z z' vx' t ' 2 c 2 1 v / c
3．讨论 从以上公式可知： （1）当 v＜＜c 时，洛伦兹变换转化为伽利略变换； （2）时间和空间的测量互不分离，称为时空坐标； （3）当 v c 时，公式无物理意义。所以两参考系的相对速度不可能等于或大于光速。 任何物体的速度也不可能等于或大于真空中的光速，即真空中的光速 c 是一切实际物体的极 限速率。 洛伦兹（H. A. Lorentz，1853－1928）荷兰物理学家。变换式原来是洛伦兹在 1904 年研 究电磁场理论时提出来的，当时并未给予正确解释。第二年爱因斯坦从新的观点独立地导出 了这个变换式。通常以洛伦兹命名。
力学相对性原理伽利略变换PPT课件
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。
两朵乌云——暴风骤雨——20世纪初物理学危机
物理学正在临产中，它孕育着的新理论将要诞生了。
新理论：相对论、量子力学，
当物体运动时，两端坐标必须同时记录。
xA( t1 )
xB( t0 )
x (t ) A0
xB( t0 )
S系 S系
y y
u
o o x1
x x2 x
由伽利略变换：
x1 x1 ut1 x2 x2 ut2
设直尺相对于S系静止 直尺长度 x x2 x1 x2 x1 u( t2 t1 )
先验框架
• 时间间隔、空间距离的测量与参考系的选择无关。
四 . 力学相对性原理与伽利略变换相协调
要求力学定律在 是否协调 给出不同惯性
一切惯性系中数
系中对运动描
学形式相同
？ 述的关联
由伽利略速度变换
得加速度变换：
a x ax a y ay az az
a
ห้องสมุดไป่ตู้
a
vx vx u
正变换
vv''xy
vx vy
u
v'z vz
逆变换
v v
x y
v'x v 'y
u
vz
v 'z
伽利略变换中已经隐含了时空观念 三 . 绝对时空观
1. 时间：用以表征物质存在的持续性，物质运动、 变化的阶段性和顺序性。
相对论---关于时空观及时空与物质关系的理论
u
ut
•P
O O x
x
x x
z
z t=0时，两者重合
点P在两坐标系中的关系:
若认为同一事件在两系中同时 刻发生:
x x ut
y
y
z z
伽利略坐标变换对时间求导
x x ut
y y z z
或
x x ut y y z z
爱因斯坦认为：物质世界的规律应该是和谐 统一的，麦克斯韦方程组应对所有惯性系成立。 在任何惯性系中光速都是各向为c，这样就自然 地解释了迈克耳孙—莫雷实验的零结果。
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 .
由洛伦兹变换:
t tb ta
tb
u c2
xb
ta
u c2
xa
u c2
( xa
xb )
0
2.在一个惯性系中即同时又同地发生的两事件呢?
x xb xa 0, t tb ta 0
则:
t
tb
t
u c2
x
1u2 / c2
v信号
x2 t2
x1 t1
c
t (1 u x) 1 u2 / c2 c2 t
t 与 t 同号
二 长度缩短
狭义相对论基础
迈克尔孙莫雷实验.swf
问题二 迈克尔孙 莫雷实验 问题二：迈克尔孙－莫雷实验
著名的否定性实验（ 1881~1887 ） 动摇了经典物理学的基础 动摇了经典物理学的基础。 u u c M E t2
M1 M2
90o
实验原理如图，光源发出 S 的光束被分成两束后，被镜片 反射，其往返时间分别为 l l 2l 1 t1 2 u cu cu c 1 2 c
Y O Z
Y
u
O X X
由于时空的均匀性，新的时空关系必须是线性的，故可设
x a11 x a12 t
t a21 x a22 t （3）
显然，如图，在K系中观测到 K 系的 x 0， 各点（K系中的 坐标为x）的速度为u，沿x轴方向，即 x 0 点， dx/dt=u； 然而，根据式（3），若 x 0，则有
根据干涉原理，由此引起的干涉条纹的移动数目为 考虑地球公转速率和光速，可估计移动0.4个条纹。但实际 观察的数目却仅为0 01个条纹 在实验误差范围内 实验得到 观察的数目却仅为0.01个条纹，在实验误差范围内。实验得到 的负结果困扰了当时的科学界. 引起物理学界广泛的讨论和探索 引起物理学界广泛的讨论和探索： 1892 年爱尔兰的菲兹哲罗和荷兰的洛仑兹独立 提出了运动长度收缩的概念 提出了运动长度收缩的概念； 1899年洛仑兹提出运动物体上的时间间隔将变长 及洛仑兹变换； 及洛仑兹变换 1904年庞加莱提出物体所能达到的速度有一最大 值－真空光速； 值 真空光速； 1905年爱因斯坦建立了狭义相对论。
[7]
第十一章 狭义相对论基础
Y
Y
u
P X
二、洛仑兹变换
洛仑兹变换的时空变换关系 正变换： x ( x ut ) y y z z u t (t 2 x ) c 说明： 1) 2) 3) 4) 逆变换： Z x ( x ut ) y y z z u t (t 2 x ) c O
问题二 迈克尔孙 莫雷实验 问题二：迈克尔孙－莫雷实验
著名的否定性实验（ 1881~1887 ） 动摇了经典物理学的基础 动摇了经典物理学的基础。 u u c M E t2
M1 M2
90o
实验原理如图，光源发出 S 的光束被分成两束后，被镜片 反射，其往返时间分别为 l l 2l 1 t1 2 u cu cu c 1 2 c
Y O Z
Y
u
O X X
由于时空的均匀性，新的时空关系必须是线性的，故可设
x a11 x a12 t
t a21 x a22 t （3）
显然，如图，在K系中观测到 K 系的 x 0， 各点（K系中的 坐标为x）的速度为u，沿x轴方向，即 x 0 点， dx/dt=u； 然而，根据式（3），若 x 0，则有
根据干涉原理，由此引起的干涉条纹的移动数目为 考虑地球公转速率和光速，可估计移动0.4个条纹。但实际 观察的数目却仅为0 01个条纹 在实验误差范围内 实验得到 观察的数目却仅为0.01个条纹，在实验误差范围内。实验得到 的负结果困扰了当时的科学界. 引起物理学界广泛的讨论和探索 引起物理学界广泛的讨论和探索： 1892 年爱尔兰的菲兹哲罗和荷兰的洛仑兹独立 提出了运动长度收缩的概念 提出了运动长度收缩的概念； 1899年洛仑兹提出运动物体上的时间间隔将变长 及洛仑兹变换； 及洛仑兹变换 1904年庞加莱提出物体所能达到的速度有一最大 值－真空光速； 值 真空光速； 1905年爱因斯坦建立了狭义相对论。
[7]
第十一章 狭义相对论基础
Y
Y
u
P X
二、洛仑兹变换
洛仑兹变换的时空变换关系 正变换： x ( x ut ) y y z z u t (t 2 x ) c 说明： 1) 2) 3) 4) 逆变换： Z x ( x ut ) y y z z u t (t 2 x ) c O
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
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
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 .
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(c u )
c u
u
v光对车 v光对地 v地对车
彼此矛盾！
18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观
3 双星观察实验 枪沿圆周平动,相对枪以 恒定速率 u 发射子弹.
接 收 屏
v弹对地 v弹对枪 v枪对地
观察者接收到的子弹密 度会呈周期性变化
18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观
“爱因斯坦把方法倒了过来,他不 是从已知的方程组出发去证明协变性 是存在的,而是把协变性应当存在这 一点作为假设提出来,并且用它演绎 出方程组应有的形式.” —洛仑兹
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1931年会见迈克尔孙 “我尊敬的迈克尔孙博士,您开始工作时,我还 是个孩子,只有1米高,正是您将物理学家引向 新的道路,通过您精湛的实验工作,铺平了相对 论发展的道路,您揭示了光以太的隐患,激发了 洛仑兹和菲兹杰诺的思想,狭义相对论正是由 此发展而来的.没有您的工作,相对论今天顶多 也只是一个有趣的猜想,您的验证使之得到最 初的实验基础.” “我的实验竟然对相对论这个怪物的诞生起 了作用,我对此感到十分遗憾.”
带电粒子受力: F qE qv B
电场力 洛仑兹力
因速度 v 与参考系有关,所以经伽利略变换
后洛仑兹力将发生变化,经典电磁定律不具有伽 利略变换不变性.
18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观
2 与高速运动(光的传播)的实验结果不符 真空中的光速: c 由经典电磁理论 c 1 0 0 3 108 m s-1 与参考系选择无关 由伽利略变换:速度与参考系选择有关.
牛顿第二定律 在S系中有 在 S' 中
F ma ma ' m' a ' F '
( m m' )
力学规律是以牛顿定律为基础的,所以一 切力学规律在所有的惯性系中具有相同的数 学形式
18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观
三 牛顿的绝对时空观(经典力学时空观) 1 时间的绝对性
物理学家感到自豪而满足,两个事例： 在已经基本建成的科学大厦中,后辈物理学家 只要做一些零碎的修补工作就行了.也就是在测 量数据的小数点后面添加几位有效数字而已. ——开尔文（1899年除夕） 理论物理实际上已经完成了,所有的微分方 程都已经解出,青年人不值得选择一种将来不 会有任何发展的事去做.
—— 牛顿
18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观
空间先于运动存在,是盛放物质的容 器和物质运动的舞台.
(2) 绝对时空观与人们日常生活经验和 宏观低速条件下的实验结果相符合.但在高 速运动情况下则不适用.
18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观
四 伽利略变换的困难 1 电磁现象不服从伽利略变换
——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.
即空间间隔是绝对的,与参考系无关
归纳
18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观
(1) 牛顿的绝对时空观:时间、空间彼此独 立而且与物质、运动无关. 绝对的、真正的和数学的时间自身在流 逝着,而且,由于其本性在均匀的,与任何其它 外界事物无关地流逝着.
—— 牛顿 绝对空间就其本质而言,是与任何外界事 物无关的,而且是永远相同和不动的.
18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观
一 伽利略变换
S ' 系相对于 S 系以匀速沿 x轴运动,观察
两参照系中同一事件的时空关系.
y s
y
ut
s'
y'
y'
u
o' x
当t t ' 0
P ( x, y , z , t ) *
o
x'
( x' , y ' , z ' , t ' )
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
设有两个事件 P 和 P2 ， 1
S : t1 , t 2
s ':
t '1 , t ' 2
t '1 t1 t '2 t 2
t ' t '2 t '1 t2 t1 t
即时间是绝对的,与参考系无关
18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观
2 同时的绝对性
如在S系中两事件同时发生,在 S ' 系中来 观察也是同时发生的
t ' t
t 0
t ' 0
即同时是绝对的,与参考系无关
18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观
3 空间间隔的绝对性 如测一根棒的长度,假设棒静止在 S ' 系中,沿x轴放置
S ' : x'1 , x' 2
S：
x1 , x 2 t
l x2 x1
l ' x' 2 x'1 ( x2 ut) ( x1 ut) x2 x1 l
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.
从内容上来分: 经典物理-牛顿力学、热力学 与统计物理学、麦克斯韦电磁理论 近代物理-相对论和量子物理 相对论： 狭义相对论－适用于惯性系 广义相对论－适用于非惯性系和引力场
18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典 力学时空观
事件:空间某一点和时间某一时刻 发生的某一现象(如:两个粒子碰撞, 跳水运动员起跳．．．)
阿尔伯特.爱因斯坦(1879-1955)
前言:相对论产生的历史背景和物理基础 经典物理:伽利略时期 — 19世纪末(1900年以前) 经过300年发展,到达全盛的“黄金时代” 形成三大理论体系 1机械运动:以牛顿定律和万有引力定律为 基础的 经典力学 2电磁运动:以麦克斯韦方程组为基础的经典 电磁学 3热运动:以热力学定律为基础的宏观理论 (热力学);以分子运动为基础的微观理论(统 计物理学)
r
S 系 y u
o
ut
r
p
x
zห้องสมุดไป่ตู้
x
18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观
2 速度变换 速度变换分量式：
v 'x v x u v x v 'x u ' ' 正变换 v y v y 逆变换 v y v y ' ' v z v z v z v z 矢量式 v' v u 或 v v 'u
o与o' 重 合
z z
z'z'
x' x
18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观
1 坐标变换分量式
x x ut y y 或 z z t t
x x ut ' y y z z t t
正变换
逆变换
S系 y
o
z
或
r ' r ut r r 'u t '
18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观
3 加速度变换 由伽利略速度变换
v x vx u v y vy v z vz
得
a' x a x a' y a y
a' z a z
a' a
18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观
二 力学相对性原理 伽利略对匀速直线运动船舱内现象生动描述
两朵乌云—暴风骤雨—20世纪初物理学危机 物理学正在临产中,它孕育着的新理论将要 诞生了. 新理论:相对论、量子力学 深刻影响现代科技和人类生活 相对论的思想基础:对称性观念
— 列宁
物理规律不因人(参考系)而异,参考系变换 应该是物理定律的对称操作.
从时间上来分: 经典物理-1900年以前 近代物理-1900年以后