1、15 1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难牛顿力学相对性原理遇到的困难“横看成岭侧成峰，远近高低各不同。横看成岭侧成峰，远近高低各不同。”苏轼苏轼题西林壁题西林壁人类面对事物人类面对事物“相对性相对性”的不同态度：的不同态度：（1 1）只承认自己看到的是真的，根本否认还有只承认自己看到的是真的，根本否认还有其他的可能性其他的可能性.（2 2）“公说公有理，婆说婆有理。公说公有理，婆说婆有理。”哲学哲学上的上的“相对主义相对主义”的派别的派别.（3 3）超越从个别角度（物理学里的参考系）认超越从个别角度（物理学里的参考系）认识问题的局限性，寻求不同参考系之间的变换关系，识问
2、题的局限性，寻求不同参考系之间的变换关系，以及变换过程中那些不变性以及变换过程中那些不变性.不变性不变性：是物理定律，是自然界中与观察者无：是物理定律，是自然界中与观察者无关的客观规律关的客观规律.15 1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难牛顿力学相对性原理遇到的困难 “相对论的兴起是由于实际需要，是由于旧理相对论的兴起是由于实际需要，是由于旧理论中的矛盾非常严重和深刻，而看来旧理论对这些论中的矛盾非常严重和深刻，而看来旧理论对这些矛盾已经没法避免了。矛盾已经没法避免了。”爱因斯坦爱因斯坦 自觉地去探索不同参考系中物理量、物理规律自觉地去探索不同参考系中物理量、物理规律之
3、间的变换关系（相对性原理），和变换中的不变之间的变换关系（相对性原理），和变换中的不变量（对称性），以便超越自我认识上的局限性，去量（对称性），以便超越自我认识上的局限性，去把握物理世界中更深层次的奥秘把握物理世界中更深层次的奥秘.现代物理方法论精髓现代物理方法论精髓15 1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难牛顿力学相对性原理遇到的困难 一一 伽利略变换式伽利略变换式 经典力学的相对性原理经典力学的相对性原理 对于任何惯对于任何惯性参照系性参照系 ,牛牛顿力学的规律都顿力学的规律都具有相同的形式具有相同的形式,这就是经典力学这就是经典力学的相对性原理的相对性原理 。问：问
4、：相对于不同的参考系相对于不同的参考系 ,经典力学定律的经典力学定律的形式是完全一样的吗形式是完全一样的吗？牛顿力学的回答牛顿力学的回答:x xy yvOOz z ss*),(),(zyxzyxPx xt vz z yy15 1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难牛顿力学相对性原理遇到的困难伽利略变换伽利略变换当当 时时0ttOO与与 重合重合txxvyy zz tt 位置坐标变换公式位置坐标变换公式 经典力学认为：经典力学认为：（1 1）空间）空间的量度是绝对的，与参考系无的量度是绝对的，与参考系无关；（关；（2 2）时间的量度也是绝对）时间的量度也是绝对的，与参考系无关
5、的，与参考系无关 。x xy yvOOz z ss*),(),(zyxzyxPx xt vz z yy1212xxxx15 1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难牛顿力学相对性原理遇到的困难zzaayyaaxxaa加速度变换公式加速度变换公式aaamF amFvxxuuyyuu zzuu伽利略速度变换公式伽利略速度变换公式 在两相互作匀速直线运动的惯性系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。中，牛顿运动定律具有相同的形式。x xy yvOOz z ss*),(),(zyxzyxPx xt vz z yyvuu15 1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿力
6、学相对性原理遇到的困难牛顿力学相对性原理遇到的困难 问：问：相对于不同的参考系相对于不同的参考系 ,长度和时间的测量长度和时间的测量结果是一样的吗结果是一样的吗?绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无关关 ,长度和时间的测量是绝对的长度和时间的测量是绝对的.二二 经典力学的绝对时空观经典力学的绝对时空观注注 意意 牛顿力学的相对性原理，牛顿力学的相对性原理，在宏观、低在宏观、低速的范围内，是与实验结果相一致的速的范围内，是与实验结果相一致的 。绝对绝对时间时间:所有惯性系有统一的时间。所有惯性系有统一的时间。绝对绝对空间：空间与运动无关，空间是绝对静止
7、的。空间：空间与运动无关，空间是绝对静止的。15 1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难牛顿力学相对性原理遇到的困难 “绝对的真实的数学时间绝对的真实的数学时间,就其本质而言就其本质而言,是永远均匀地流是永远均匀地流逝着逝着,与任何外界无关。与任何外界无关。”“绝对空间就其本质而言是绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的与任何外界事物无关的，它从不它从不运动运动,并且永远不变。并且永远不变。”牛顿的绝对时空观牛顿的绝对时空观牛顿力学的相对性原理牛顿力学的相对性原理 实践已证明实践已证明 ,绝对时空观是不正确的。绝对时空观是不正确的。15 1 伽利略变换式伽利略变换式 牛
8、顿力学相对性原理遇到的困难牛顿力学相对性原理遇到的困难 问：问：对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式是一样的吗形式是一样的吗？真空中的光速真空中的光速m/s10998.21800c 对于两个不同的惯性对于两个不同的惯性参考系参考系 ,光速满足伽利光速满足伽利略变换吗略变换吗？?v ccx xy yvOOz z ssc三三 光速依赖于惯性参考系的选取吗光速依赖于惯性参考系的选取吗?15 1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难牛顿力学相对性原理遇到的困难球球投投出出前前cdcdt 121ttvcdt2结果结果:观察者先看到投出后的球，后看
9、到投出前的球。观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球。试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达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。到观察者所需要的时间。(根据根据伽利略变换伽利略变换)球球投投出出后后vcv15 1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难牛顿力学相对性原理遇到的困难 900 多年前（公元多年前（公元1054年年5月）一次著名的月）一次著名的超新星爆超新星爆发发，这次爆发的残骸形成了著名的金牛星座的蟹状星云。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北宋天文学家记载从公元 1054年-1056年均能用肉眼年
10、均能用肉眼观察观察,特别是开始的特别是开始的 23 天天,白天也能看见。白天也能看见。km/s5001v物质飞散速度物质飞散速度l l=5 000 光年光年cvcAB 当一颗恒星在发生超新星爆发时当一颗恒星在发生超新星爆发时,它的外围物质向它的外围物质向四面八方飞散四面八方飞散,即有些抛射物向着地球运动即有些抛射物向着地球运动,现研现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问 。15 1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难牛顿力学相对性原理遇到的困难实际持续时间约为实际持续时间约为 22 个月个月,这怎么解释这怎么解释?年25ABttt理论计
11、算观察到超新性爆发的强光的时间持续约理论计算观察到超新性爆发的强光的时间持续约l=5 000 光年光年cvckm/s5001v物质飞散速度物质飞散速度ABvcltA A A 点光线到达点光线到达地球所需时间地球所需时间cltBB B 点光线到达点光线到达地球所需时间地球所需时间15 1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难牛顿力学相对性原理遇到的困难 迈克耳孙迈克耳孙 莫雷实验莫雷实验 为了测量地球相对于为了测量地球相对于“以太以太”的运动的运动,1881年迈克耳孙用他自制的干涉仪进行测量年迈克耳孙用他自制的干涉仪进行测量,没有结果。没有结果。1887年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验,仍得仍得到零结果到零结果,即即未观测到地球相对未观测到地球相对“以太以太”的运动的运动 。.人们为维护人们为维护“以太以太”观念作了种种努力，观念作了种种努力，提出了各种提出了各种理论理论 ，但这些理论或与天文观察，或与其他的实验事，但这些理论或与天文观察，或与其他的实验事实相矛盾，最后均以实相矛盾，最后均以失败失败告终告终。实验结果实验结果 未未观察到地球相对于观察到地球相对于“以太以太”的运动的运动.0N仪器可测量精度仪器可测量精度01.0N4.0N理论预测理论预测
