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')
x'
x
F
ma
一设、：伽有利两略个变相换式对作牛匀顿速的绝直对线时运空动观的参考系，
当 t t' 0 时
o 与 o'重合
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
伽利略坐标变换式
x' x ut
y' y
z' z
t' t
推导出速度变换公式、加速度变换公式
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
讨论
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
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.
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.
物理事件的时空坐标
(x, y, z,t)
(x, y, z,t)
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
伽利略坐标变换式
x' x ut
y' y
z' z
t' t
讨论
伽利略变换中蕴含的经典力学时空观. 证明力学相对性原理.
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
2.伽利略变换中蕴含的经典力学时空观
x' x ut y' y z' z
牛顿力学的回答: 对任何惯性参照系 , 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 . ——可以数学证明
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
方法：推导出加速度变换公式
坐标变换 公式
x x ut y y z z t t
速度变换 公式
vx vx u
vy vy
vz vz
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
一、牛顿的经典力学时空观 伽利略变换
空间、时间和物质运动之间相互关系
时间、空间、物质是彼 此独立无关地存在着
集中体现在伽利略变换中
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
设：有两个相对作匀速直线运动的参考系，
1.伽利略变换:
当 t t' 0 时
o 与 o'重合
不同惯性系对同一物理事件的描述的关系
t' t
1）同时性是绝对的 2）空间的量度是绝对的，与参考系无关； 3）时间的量度也是绝对的，与参考系无关 .
时间、空间、物质是彼此独立无关地存 在着，时间、空间的测量是绝对的，与 参考系的选择无关
绝对 时空观
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
3.力学相对性原理
相对于不同的参考系 , 经典力学的规律是一样 的吗？定律的数学形式是完全一样的吗 ？
F
ma'
结论：在两相互作匀速直线运动的惯性系中，
力学规律具有相同的形式；或者说力学公式对伽 利略变换具有协变性
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
小结：
x' x ut
设：有两个相对作匀速直线运动的参考系，
y' y z' z t' t
当 t t' 0 时
o 与 o'重合
绝对 时空观
伽利略变换
力学相对性 原理
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')
x'
x
F
ma
一设、：伽有利两略个变相换式对作牛匀顿速的绝直对线时运空动观的参考系，
当 t t' 0 时
o 与 o'重合
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
伽利略坐标变换式
x' x ut
y' y
z' z
t' t
推导出速度变换公式、加速度变换公式
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
讨论
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
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.
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.
物理事件的时空坐标
(x, y, z,t)
(x, y, z,t)
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
伽利略坐标变换式
x' x ut
y' y
z' z
t' t
讨论
伽利略变换中蕴含的经典力学时空观. 证明力学相对性原理.
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
2.伽利略变换中蕴含的经典力学时空观
x' x ut y' y z' z
牛顿力学的回答: 对任何惯性参照系 , 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 . ——可以数学证明
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
方法：推导出加速度变换公式
坐标变换 公式
x x ut y y z z t t
速度变换 公式
vx vx u
vy vy
vz vz
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
一、牛顿的经典力学时空观 伽利略变换
空间、时间和物质运动之间相互关系
时间、空间、物质是彼 此独立无关地存在着
集中体现在伽利略变换中
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
设：有两个相对作匀速直线运动的参考系，
1.伽利略变换:
当 t t' 0 时
o 与 o'重合
不同惯性系对同一物理事件的描述的关系
t' t
1）同时性是绝对的 2）空间的量度是绝对的，与参考系无关； 3）时间的量度也是绝对的，与参考系无关 .
时间、空间、物质是彼此独立无关地存 在着，时间、空间的测量是绝对的，与 参考系的选择无关
绝对 时空观
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
3.力学相对性原理
相对于不同的参考系 , 经典力学的规律是一样 的吗？定律的数学形式是完全一样的吗 ？
F
ma'
结论：在两相互作匀速直线运动的惯性系中，
力学规律具有相同的形式；或者说力学公式对伽 利略变换具有协变性
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
小结：
x' x ut
设：有两个相对作匀速直线运动的参考系，
y' y z' z t' t
当 t t' 0 时
o 与 o'重合
绝对 时空观
伽利略变换
力学相对性 原理
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运动学与时空观
（2）质点的机械运动表现为质点的位置随时间变化。质点的位置是相对于一定的参考系说的，参考系是指选来作为研究物体运动依据的一个三维的、不变形的物体（刚体）或一组物体为参考体，在参考体上选取不共面的三条相交线作为标架，再加上与参考体固连的时钟。即参考系包括参考体、标架和时钟，习惯上我们把参考体简称为参考系。为了定量地描述物体的运动，我们在参考系上还要建立坐标系，直角坐标和极坐标是最常用的两种坐标形式。
《高中物理专题分析》
相对论的时空观与我们习惯接受的经典时空观是格格不入的，初学物理的人难以接受。一般说，我们只能通过自己的经验和积累的知识去认识新事物。我们周围各种物体的运动、变化都是低速情形，v<<c，它们基本上都可以用经典的绝对时空观去解释。换句话，经典的时空观对我们生活和活动的广大领域是适用的，在中学物理的教学中，我们仍然以经典的时空观进行教学，但应该在适当的地方指出它的局限性，介绍现代时空观的一些常识。
时间、空间的本质不仅是物理学的基本问题，也是深刻的哲学问题，不断有人对它们进行研究。20世纪初，爱因斯坦揭露了同时性的相对性，用相对性原理和光速不变原理两个基本假设，建立了狭义相对论的时空观，明确指出时间和空间都与物质的运动有关，时间和空间是相互联系的，应统一为四维时空。爱因斯坦又进一步在广义相对论中揭露了时空与物质是相互作用的，物质的分布及其运动使周围的时空发生弯曲，而弯曲的时空又反过来影响物质的运动。可以认为，广义相对论的基本思想是：物质决定了时空的弯曲，而时空又决定了物质的运动。
从运动学角度看，参考系可以任意选取。对一个具体的运动学问题，我们一般从方便出发选取参考系以简化物体运动的研究。古代研究天体的运动时，很自然以地球为参考系。托勒密的“地心说”用本轮、均轮解释行星的运动。哥白尼用“日心说”解释行的运动时，也要用本轮和均轮。从运动学角度看，“地心说”和“地心说”都可以同样好地描述行星的运动。但从研究行星运动的动力学原因的角度看，“日心说”开通了走向真理的道路。开普勒在“地心说”的基础上，把行星的圆周运动改变为椭圆运动从而扔掉了本轮、均轮的说法，开普勒并在观测的基础上建立了行星运动三定律，作出了重要的贡献。牛顿进一步揭露了开普勒三定律的奥秘，建立了万有引力定律、概括出“万有引力”概念。我们应该注意，从运动学看所有的参考系都是平权的，选用参考系时只考虑分析解决问题是否简便。从动力学看参考系区分为惯性参考系和非惯性参考系两类，牛顿定律等动力学规律只对惯性参考系成立，对不同的非惯性参考系要应用牛顿定律需引入相应的惯性力修正。
狭义相对论的基本概念
4、实验结果：零结果
在不同季节，不同地理条件下做实验，没有观察到条 纹的移动。实验表明：
•相对以太的绝对运动是不存在的，以太不能作为绝对参考 系，以太假设不能采用； •地球上沿各个方向的光速都是相等的。 •迈克耳逊—莫雷实验一直被认为是狭义相对论的主要实验 支柱。
14－3 狭义相对论的基本原理 洛仑兹变换式
→伽利略变换式；
=v/c 1，所以v<<c。
3、推导
S系的坐标原点O，在S系中：x=0 在S '系中： x'= -vt'或x'+vt'=0
x=k(x'+vt')
S'系的坐标原点
x'=k'(x-vt)
相对性原理，这两个惯性系是等价的，
k=k' x'=k(x-vt) 对于y,z 的关系， y'=y
崭新的现代时空观，引起了物理学的一次大革命，把物 理学由经典物理带入了近代物理的相对论世界。
二、洛仑兹变换式 1、洛仑兹变换及其逆变换
s s' y
y' v
P(x, y, z,t)
* (x', y', z',t')
x x vt
y
y
z z
t
2、实验装置：
迈克尔逊干涉仪
3、实验原理：
M
2
G
M1
v
地球定沿GM1方向运动。若伽利略
变换成立，光沿GM1速度为c-v，光
沿M1G，速度c+v，光从G-M1-G所
需时间为
t1
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。)
大学物理B2_第14章_1
vy 、vz).
x vt x ( x vt ) v 2 1 ( ) c
v t (t 2 x ) c
dx vdt dx v 2 1 ( ) c v dt 2 dx c dt v 2 1 ( ) c
dx dx vdt dt dt v dx c2 ux v v 1 2 ux c
3. 物质运动的极限速度为真空中的光速度c
v2 1 2 0 c
4. L变换是比G变换更具普遍意义的变换 当v<<c时，洛仑兹变换又回到伽利略变换 。 x vt x x vt x
2014年10月15日星期三
1 (v / c)2
14
第十四章 相对论1
例1. 观察者O测得一闪光灯在x=1105m, y=1104m, z=1103m, t=510-4s时闪光，另一观察者O相对于O以 0.8c的速度沿轴 xx 运动，求他所测得的事件(闪光灯)坐标。 解： x
2l1c 2l2 t t1 t2 2 2 c u c2 u 2 l1 l2 2 [ ] c 1 ( u )2 u 2 1 ( ) c c 2l2c 2l1 t2 2 t t1 2 c u c2 u 2 l2 l1 2 [ ] c 1 ( u )2 u 2 1 ( ) c c
17
2014年10月15日星期三
第十四章 相对论1
ux v u x v 1 2 ux c uy u y v (1 2 u x ) c uz u z v (1 2 ux ) c 当c>>v时， u x ux v
S→S′
u x +v ux v 1 2 u x c u y uy v (1 2 u x) c u z uz v (1 2 u x) c u x u x +v
x vt x ( x vt ) v 2 1 ( ) c
v t (t 2 x ) c
dx vdt dx v 2 1 ( ) c v dt 2 dx c dt v 2 1 ( ) c
dx dx vdt dt dt v dx c2 ux v v 1 2 ux c
3. 物质运动的极限速度为真空中的光速度c
v2 1 2 0 c
4. L变换是比G变换更具普遍意义的变换 当v<<c时，洛仑兹变换又回到伽利略变换 。 x vt x x vt x
2014年10月15日星期三
1 (v / c)2
14
第十四章 相对论1
例1. 观察者O测得一闪光灯在x=1105m, y=1104m, z=1103m, t=510-4s时闪光，另一观察者O相对于O以 0.8c的速度沿轴 xx 运动，求他所测得的事件(闪光灯)坐标。 解： x
2l1c 2l2 t t1 t2 2 2 c u c2 u 2 l1 l2 2 [ ] c 1 ( u )2 u 2 1 ( ) c c 2l2c 2l1 t2 2 t t1 2 c u c2 u 2 l2 l1 2 [ ] c 1 ( u )2 u 2 1 ( ) c c
17
2014年10月15日星期三
第十四章 相对论1
ux v u x v 1 2 ux c uy u y v (1 2 u x ) c uz u z v (1 2 ux ) c 当c>>v时， u x ux v
S→S′
u x +v ux v 1 2 u x c u y uy v (1 2 u x) c u z uz v (1 2 u x) c u x u x +v
何谓绝对时空观
何谓绝对时空观？答绝对时间是指时间的量度和参考系无关，绝对空间是指长度的量度与参考系无关。
这也就是说，同样两点间的距离或同样的前后两个事件之间的时间，无论在哪个惯性系中测量都是一样的。
经典力学总结了低速物体的运动规律，它反映了牛顿的绝对时空观。
绝对时空观认为时间和空间是两个独立的观念，彼此之间没有联系，分别具有绝对性。
绝对时空观认为时间与空间的度量与惯性参照系的运动状态无关，同一物体在不同惯性参照系中观察到的运动学量（如坐标、速度）可通过伽利略变换而互相联系。
这就是力学相对性原理：一切力学规律在伽利略变换下是不变的。
绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而均匀地、与任何其他外界事物无关地流逝着”；“绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的”。
这就是牛顿力学的“绝对时间”和“绝对空间”。
这种观点统治了人类几千年。
直至今日，绝对时空观念还在影响着人类的思维方式和哲学观点，因为绝对时空世界是低速世界，几乎我们全部物理理论都是建立在“低速世界”基础之上的，这是谁也无法改变的事实。
在这一“现实”面前，物理学家们所要做的事就是把主观与“客观”的距离缩小到最小范围。
经典力学总结出哪三大守恒定律？请举出实例并分析之。
答经典力学总结出动量守恒定律，机械能守恒定律以及角动量守恒定律。
1.动量守恒定律的实例就是火箭的。
根据动量守恒定律，当一个系统向后高速射出一个小物体时，该系统就会获得与小物体相同大小但方向相反的动量，即系统将获得向前的速度。
火箭喷管收缩后的燃烧室中气体分子和燃烧室壁的碰撞次数，单位时间单位面积是没有收缩的左图中燃烧室壁的4倍。
但是在喷气口上则没有碰撞，这么多的碰撞的动量是来自于哪里呢？很显然，一个气体分子的每一次碰撞必然是遵守动量守恒定律的。
采用喷管扩张的技术来对燃气分子的热能进行第二次利用则是变成很简单的问题了。
并且会增加火箭燃料的有效利用率。
2.机械能守恒定律的实例就是如无外力做功或外力做功之和为零，系统内又只有保守力（见势能）做功时，则系统的机械能（动能与势能之和）保持不变。
近代物理基础.
迈克耳孙—莫雷实验
三.经典力学时空观 伽利略变换的假设
力学相对性原理并不是以 绝对时空观为前提的.
①存在不受运动状态影响 的时钟——绝对时间
§2 迈克耳孙—莫雷实验 t t t t
一.问题的提出
•是否有一个与绝对空间相对 静止的参考系？
•如果有,如何判断它的存在?
任何事件所经历的时间在 不同参考系下都是不变的.
②空间任意两点间的距离 与参考系的选择无关.—— 绝对空间.
•显然力学原理不能找出这 个特殊的惯性系,那么电磁 学现象呢?
r' (x')2 (y')2 (z')2
r (x)2 (y)2 (z)2
9
在牛顿力学中,时间,长度,质 量都是伽利略变换不变量.
力学相对性原理并不是以 绝对时空观为前提的.
uuxy
ux uy
v
uz uz
x x vt
y y
z
z
或
t t
x x vt y y z z t t
——伽利略速度变换.
其矢量形式为: u= u + v
6
上式再对时间求导:
aaxy
ax ay
az az
其矢量形式为:
a = a
物体的加速度对伽利略 变换是不变的.
即牛顿定律对S系和S 系有相同的形式.
3
伽利略变换 牛顿的绝对时空观
第十五章.狭义相对论基础 考虑两个惯性参考系S(Oxyz)
§1.伽利略变换 牛顿的绝对时空观
一.力学的相对性原理
牛顿运动定律适用一切 惯性参考系.
和S(Oxyz), 它们的对应坐
标轴相互平行, 且S系相对S 系以速度v沿Ox轴的正方向运 动.开始时,两惯性系重合.
第06章狭义相对论基础
一、伽利略坐标变换
设惯性系 S 和相对 S 运动的惯性系 在两个惯性系中考察同一物理事件 P
某时刻、在某空间位置“出现”一个质点或发生一物理 现象（如闪光etc.）
与
重合时,
正变换
二、牛顿的绝对时空观
1. 同时性的绝对性
S S
P1 : ( x1 , y1 , t1 ) P2 : ( x2 , y2 , t2 ) P1 : ( x'1 , y'1 , t '1 ) P2 : ( x'2 , y'2 , t '2 )
若按伽利略变换，在S’参考系方程将变为
显然波动方程呈现不同的形式。 电磁场方程组不具有伽利略变换不变性！ 光速 c 是在哪个参照系的值？ 光速服从伽利略速度变换？
???
（2）伽利略变换的困难
炮车与炮弹
伽 利 略 变 换 适 用
v
v u
S
v炮筒换成灯泡 炮弹变成光 结果会如何？
力学相对性原理！ 又称：伽利略相对性原理
力学中：一切惯性系是等价的平权的！
END
6-2 狭义相对论基本假设与洛伦兹变换 一、牛顿时空理论的困难
（1） 电磁场方程组不服从伽利略变换 按麦克斯韦的电磁理论,电磁波在真 空中波动方程为:
1 式中 0 0 2 c 8 可计算得: c 2.9979394 10 m s
洛伦兹坐标变换式：
x ( x'ut ' )
逆 变 换
y y' z z' u t t ' 2 x' c
讨论
t 与 x, u, t 有关
ut
o
o
x x
大学物理精品课件3.1 洛伦兹变换
2
伽利略变换式
牛顿的绝对时空观
第三章 相对论
伽利略速度变换公式
u' x u x v
s
y
vt
y
s'
y'
y'
u' y u y
u'z uz
加速度变换公式
v
x'
P ( x, y , z )
*
( x', y', z ' )
o
a' x ax
a' y a y
a a' F ma ' F ma
25
伽利略变换式
牛顿的绝对时空观
第三章 相对论
速度变换
考虑一质点 P 在空间 的运动，从 S 和 S′ 系来看，速度分别是：
y
S
y'
S'
V
P
O
v v'
x ( x' )
O'
z
z'
dx dy dz v x dt , v y dt , vz dt dx dy dz v'x dt , v'y dt , v'z dt
4
伽利略变换式
牛顿的绝对时空观
第三章 相对论
y
（1）同时的绝对性
V
y'
event 1
event 2
o
S系, t1 t 2
o'
x
x'
两个事件同时发生
据伽利略变换，S/系
同时的绝对性
t1 t 2
在其他惯性系中，两个事件也一定同时发生。
伽利略变换式
牛顿的绝对时空观
第三章 相对论
伽利略速度变换公式
u' x u x v
s
y
vt
y
s'
y'
y'
u' y u y
u'z uz
加速度变换公式
v
x'
P ( x, y , z )
*
( x', y', z ' )
o
a' x ax
a' y a y
a a' F ma ' F ma
25
伽利略变换式
牛顿的绝对时空观
第三章 相对论
速度变换
考虑一质点 P 在空间 的运动，从 S 和 S′ 系来看，速度分别是：
y
S
y'
S'
V
P
O
v v'
x ( x' )
O'
z
z'
dx dy dz v x dt , v y dt , vz dt dx dy dz v'x dt , v'y dt , v'z dt
4
伽利略变换式
牛顿的绝对时空观
第三章 相对论
y
（1）同时的绝对性
V
y'
event 1
event 2
o
S系, t1 t 2
o'
x
x'
两个事件同时发生
据伽利略变换，S/系
同时的绝对性
t1 t 2
在其他惯性系中，两个事件也一定同时发生。
第15章 狭义相对论
第三节 狭义相对论时空观 一、同时的相对性
事件 1 ：车厢后壁接收器接收到光信号. 事件 2 ：车厢前壁接收器接收到光信号.
S 系 ( 地面参考系 ) S' 系 (车厢参考系 )
事件 1 事件 2
(x1, y1, z1,t1) (x2 , y2 , z2 ,t2 )
(x'1 , y'1 , z'1 ,t'1 ) (x'2 , y'2 , z'2 ,t'2 )
（2）在惯性系中同时刻、不同地点发生的两件事， 在其它惯性系中必同时发生。
（3）在某惯性系中同时、不同地发生的两件事，在 其它惯性系中必不同时发生。
正确的说法是：
(A) (1).(3)
(B) (1).(2).(3)
(C) (3)
(D) (2).(3)
[C]
二 、长度的收缩
s
y
s'
y'
v
x'1
l0
x'2 x'
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.
迈克尔逊 — 莫雷实验的设计思想
人们假设超新星发出的光，其传播速度只与 传播介质的运动速度有关， 而与爆发物的速度无 关 .传播光的介质为“以太” , 在“以太”绝对参
考系中光向各个方向传播速度均为 c . 若把“以太”
推论1： t 0 and x 0 t 0 and x 0
在 S’ 系中相同地点、同时发生的两事件，在 S 系 中这两个事件是相同地点、同时发生的。
6.牛顿力学的适用范围
6.牛顿力学的适用范围当惯性系S和s 的关系是伽利略变换时，这一原理就是力学相对性原理，在不引入惯性力、折合质量（约化质量）或者折合力［24]的前提下，牛顿力学适用于绝对时空观框架内的宏观低速惯性系，即满足力学相对性原理。
在经典力学中，空间和时间的本性被认为是与任何物体及运动无关的，存在着绝对空间和绝对时间。
牛顿在《自然哲学的数学原理》中说：“绝对空间，就其本性来说，与任何外在的情况无关。
始终保持着相似和不变”“绝对的、纯粹的数学的时间，就其本性来说均匀地流逝，而与任何外在的情况无关”。
牛顿还指出：“相对空间是绝对空间的可动部分或者量度。
我们的感官通过绝对空间对其它物体的位置而确定它，并且通常把它当作不动的空间看待。
如相对地球而言的地下、大气或天体等空间都是这样来确定的"；“相对的、表观的和通常的时间，是期间的一种可感觉的、外部的，或者是精确的，或者是变化着的量度。
人们通常就用这种量度,如小时、日、月、年，代表真正的时间.”这就是牛顿的相对时空观。
汤川秀树指出：“惯性系虽然有无穷多个,但是其中相对于整个恒星系不作相对运动的坐标系才是真正静止的，而以此为基准的物体的运动即为绝对运动.这一观点从牛顿后，得到了普遍承认。
”由于提出绝对空间这一概念使得牛顿能比笛卡尔的相对主义又向前作了一系列发展.按照牛顿的理解,所谓绝对运动并不是相对于一些个别的物体，而是相对于空间。
牛顿所主张的这种绝对静止的空的空间可以看成充满整个宇宙的，数目不定的,离散存在的物质和“宇宙气”的总代表。
是否可以把天体的总和看成是那种“被赋予特权”的参考物甚至就看成是上述那种空间呢？这里还要再谈一下那种不可分割开来的实在.所谓物体相对于空间运动本身就意味着把一个被个体化的物体同一个不可分割的背景(即把物体加以个体化之后所剩下来的整个宇宙）加以对照.牛顿认为加速度就是相对这一没有被明确的背景而言的。
然而在每一个具体的动力学的课题中他必须应用和具体的物体联系在一起的某个计算系统。