181伽利略变换关系牛顿绝对时空观
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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
会吗
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。)
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
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
伽利略变换关系牛顿绝对时空观
1999年：英国<<物理世界>>杂志推出的千年刊评选有史以来最 杰出的十位物理学家：
1.爱因斯坦(美籍德国人，1921*)，2.牛顿(英国)，3.麦克斯韦 (英国), 4. 玻尔(丹麦，1922)， 5.海森伯(德国，1932)，6.伽 利略(意大利)，7.费因曼(美国，1965), 8.狄拉克(英国，1933)， 9.薛定谔(奥地利，1933), 10.卢瑟福(新西兰)
经典力学的成就和局限性
三 能量的连续性与能量量子化 经典物理中，宏观物体的能量是连续变化的，但
近代物理的理论证明，能量的量子化是微观粒子的重 要特性 . ➢ 普朗克提出一维振子的能量
Enh(n1 ,2,3 )
➢ 爱因斯坦认为光子能量 h
量子力学指出，物体（微观粒子）的位置和动量
相互联系，但不能同时精确确定，并且一般作不连续
a' a z
z 牛顿伽运利略动变换定关律系牛具顿绝有对时相空同观 的形式.
位置坐标逆变换公式
速度逆变换公式
xxut y y'
zz'
t t'
S
加速度逆变换公式 S
vx v'xu vy vy
vz vz
m
a
F
m a F
F F m m a a
ax ax
牛顿运动定律具有伽利略变换的不变性
ay ay
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.
伽利略变换关系牛顿绝对时空观
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。)
1.爱因斯坦(美籍德国人，1921*)，2.牛顿(英国)，3.麦克斯韦 (英国), 4. 玻尔(丹麦，1922)， 5.海森伯(德国，1932)，6.伽 利略(意大利)，7.费因曼(美国，1965), 8.狄拉克(英国，1933)， 9.薛定谔(奥地利，1933), 10.卢瑟福(新西兰)
经典力学的成就和局限性
三 能量的连续性与能量量子化 经典物理中，宏观物体的能量是连续变化的，但
近代物理的理论证明，能量的量子化是微观粒子的重 要特性 . ➢ 普朗克提出一维振子的能量
Enh(n1 ,2,3 )
➢ 爱因斯坦认为光子能量 h
量子力学指出，物体（微观粒子）的位置和动量
相互联系，但不能同时精确确定，并且一般作不连续
a' a z
z 牛顿伽运利略动变换定关律系牛具顿绝有对时相空同观 的形式.
位置坐标逆变换公式
速度逆变换公式
xxut y y'
zz'
t t'
S
加速度逆变换公式 S
vx v'xu vy vy
vz vz
m
a
F
m a F
F F m m a a
ax ax
牛顿运动定律具有伽利略变换的不变性
ay ay
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.
伽利略变换关系牛顿绝对时空观
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。)
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
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》伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
(
根 据 伽
球 投 出 前
利 略 变
球 投 出
换后
c
d
v c v
t1
d c
t2
c
d
v
t1 t2
)
10
结果:
(
根 据 伽
球 投 出 前
利 略 变
球 投 出
换后
观察者先看到投出后的球，
后看到投出前的球.
c
d
v c v
t1
d c
t2
c
d
v
t1 t2
)
11
公元1054年,人们发现天上出现了一 颗“客星”,其耀眼的光芒,用肉眼在白 天也看得见.史书记载它在天空中停留了 22个月 ,产生了著名的金牛座蟹状星云 .
再有 t t
时间也与惯性系的选择或观察者的相对运动无关
“绝对空间”、“绝对时间”和“绝对质量”这 三个概念的总和构成了经典力学的所谓“绝对时空 观”： 空间、时间和物质的质量与物质的运动无关 而独立存在，空间永远是静止的、同一的，时间永 远是均匀地流逝着的。
牛顿的绝对时空观
牛顿力学的相对性原理
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.
但在高速运动情况下则不适用.
举例如下页 所示： 8
对电磁现象的研究表明: 电磁现象所遵从的麦克斯韦方程组
不服从伽利略变换.
真空中的光速
c c v?
s y s' y' v
c
o o'
x'
x
z z'
9
例 试计算球被投出前后的瞬间，所发 出的光波达到观察者所需时间.
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
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18 - 1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
第十八章 相对论
伽利略速度变换公式
u'x ux v
u'y uy
u'z uz
加速度变换公式
a'x ax a'y ay
F
s
y
o
z z
y
s'
y'
y'
v
vt
x'
o' x
z'
ma
z'a
a' F
P(x, y, z)
*
(x', y', z'
x'
x
ma'
牛顿的绝对时空观
牛顿力学的相对性原理
实践已证明 , 绝对时空观是不正确的.
18 - 1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
第十八章 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 2.998 108 m/s
00
对于两个不同的 惯性参考系 , 光速满 足伽利略变换吗 ？
A
物质飞散速度
c v
v 1500km/s
B
c l = 5000 光年
18 - 1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
第十八章 相对论
A 点光线到达 地球所需时间
tA
c
l
v
B 点光线到达 地球所需时间
tB
l c
理论计算观察到超新性爆发的强光的时间持续约
t tB tA 25年
实际持续时间约为 22 个月, 这怎么解释 ?
第十八章 相对论
伽利略变换
当 t t' 0 时
o 与 o'重合
位置坐标变换公式
x' x vt
y' y
z' z
t' t
s
y
y
s'
y'
y'
v
P(x, y, z)
*
(x', y', z')
vt
x'
o
z z
o' x
z' z'
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 .
18 - 1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
第十八章 相对论
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
c' c v?
s y s' y' cv
o o'
x'
xHale Waihona Puke z z'18 - 1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
第十八章 相对论
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. (根据伽利略变换)
球
投
c
出
d
前
t1
d c
球 投
v c v
出 后
t2
c
d
v
t1 t2
结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.
)
在两相互作匀速直线运动的惯性
a'z az 系中，牛顿运动定律具有相同的形式.
18 - 1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
第十八章 相对论
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.
二 经典力学的绝对时空观
相对于不同的参考系 , 长度和时间的测量结果 是一样的吗?
绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无 关 , 长度和时间的测量是绝对的.
A
物质飞散速度
c v
v 1500km/s
B
c l = 5000 光年
18 - 1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
第十八章 相对论
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 .
当一颗恒星在发生超新星爆发时, 它的外围物质向 四面八方飞散, 即有些抛射物向着地球运动, 现研究超 新星爆发过程中光线传播引起的疑问 .