力学相对性原理伽利略变换和经典力学时空观ppt课件.ppt

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1、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),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

2、,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. 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”,2 黑体辐射的“紫外灾难”,实验结果与理论不符,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.,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. 列宁,相对论的思想

3、基础:对称性观念,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.,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,从时间上来分:,经典物理-1900年以前,近代物理-1900年以后,从内容上来分:,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),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,系相对于 系以匀速沿 轴运动,观察两参照系中同一事件的时空关系.,18

4、.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,或,或,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：,正变换,逆变换,矢量式,或,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,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,18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观,力学规律在一切惯性系中数学形式不变,18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观,牛顿第二定律,在S系中有,力学规律是以牛顿定律为基础的,所以一

5、切力学规律在所有的惯性系中具有相同的数学形式,在 中,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,设有两个事件 和,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,即同时是绝对的,与参考系无关,如在S系中两事件同时发生,在 系中来观察也是同时发生的,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 系中,沿x轴放置,S：,即空间间隔是绝对的,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,(1)

6、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. 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,因速度 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

7、不具有伽利略变换不变性.,带电粒子受力:,1 电磁现象不服从伽利略变换,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,与参考系选择无关,由伽利略变换:速度与参考系选择有关.,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,对双星星光的观测,没有类似结果！,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.,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,光速与光发射体的运动无关,不遵从伽利略变换,对双星星光的观测,没有发现由于伽利略变

8、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.,双星:两颗绕共同质心做椭圆运动的恒星系星星的华尔兹.,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,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.,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

9、、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.,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.”,