高等教育出版社：《物理学教程》教材电子教案（PPT课件，马文蔚第二版）第十五章 狭义相对论 15-1 伽利略变换关系 牛顿力学相对性原理遇到的的困难

15~1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难 物理学教程 (第二版) “横看成岭侧成峰，远近高低各不同。” 苏轼《题西林壁》 人类面对事物“相对性”的不同态度： (1)只承认自己看到的是真的，根本否认还有 其它的可能性， (2)“公说公有理，婆说婆有理。” 哲学上 的“相对主义”的派别。 (3)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， 以及变换过程中那些不变性. ◆ 不变性：是物理定律，是自然界中与观察者无 关的客观规律。 第十五章狭义相对论

第十五章 狭义 相对论 物理学教程 （第二版） 15 – 1 伽利略变换式 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。 ” ——苏轼《题西林壁》 人类面对事物 “相对性”的不同态度： （1）只承认自己看到的是真的，根本否认还有 其它的可能性. （2）“公说公有理，婆说婆有理。 ” 哲学上 的 “相对主义”的派别. （3）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， 以及变换过程中那些不变性. 不变性：是物理定律，是自然界中与观察者无 关的客观规律

15~1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难 物理学教程 (第二版) 自觉地去探索不同参考系中物理量、物理规律 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 把握物理世界中更深层次的奥秘， 现代物理方法论精髓 “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 矛盾已经没法避免了。” 爱因斯坦 第十五章狭义相对论

第十五章 狭义 相对论 物理学教程 （第二版） 15 – 1 伽利略变换式 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 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。 ” ——爱因斯坦 自觉地去探索不同参考系中物理量、物理规律 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 把握物理世界中更深层次的奥秘. ——现代物理方法论精髓

15 ~1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难 物理学教程 (第二版) 问：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？ 一伽利略变换式经典力学的相对性原理 牛顿力学的回答： y S'y 对于任何惯 y P(x,y,) 性参照系，牛顿 力学的规律都具 (x,y,=') _ut 有相同的形式. x 这就是经典力学 x 的相对性原理 第十五章狭义相对论

第十五章 狭义 相对论 物理学教程 （第二版） 15 – 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难 一 伽利略变换式 经典力学的相对性原理 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 . 问：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: x x' y y' v  o o' z z' s s' * ( ' , ' , ') ( , , ) x y z P x y z x vt x' z z' y y

15 ~1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难 物理学教程 (第二版) 伽利略变换 当t=t'=0时 P(x,y,) 0与0'重合 (x',y,z) 位置坐标变换公式 t x -x=X一)t X y'= y z'= Z 经典力学认为：1)空间的 t'= t 量度是绝对的，与参考系无关； 2)时间的量度也是绝对的，与 x2-x1=X2-x1 参考系无关. 第十五章狭义相对论

第十五章 狭义 相对论 物理学教程 （第二版） 15 – 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难 伽利略变换 当 t  t'  0 时 o 与 o'重合 x'  x  vt y'  y z'  z t'  t 位置坐标变换公式 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 . x x' y y' v  o o' z z' s s' * ( ' , ' , ') ( , , ) x y z P x y z x vt x' z z' y y' 2 1 2 1 x  x  x   x 

15 ~1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难 物理学教程 (第二版) 伽利略速度变换公式 〔x=x-0 P(x,y,z) u' 二Uy y (x',y',z) u'z=u x' X =i-方 加速度变换公式 d =' x= a F=ma F=ma' 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 第十五章狭义相对论

第十五章 狭义 相对论 物理学教程 （第二版） 15 – 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难 z z a '  a y y a'  a a x  a x ' 加速度变换公式 a a '    F ma    F ma'     v x x u' u y y u'  u u z  uz ' 伽利略速度变换公式 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. x x' y y' v  o o' z z' s s' * ( ' , ' , ') ( , , ) x y z P x y z x vt x' z z' y y' v    u   u 

15~1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难 物理学教程 (第二版) 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. 问：相对于不同的参考系，长度和时间的测量结 果是一样的吗？ 二经典力学的绝对时空观 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、 绝对时间：所有惯性系有统一的时间. 绝对空间：空间与运动无关，空间是绝对静止的. 第十五章狭义相对论

第十五章 狭义 相对论 物理学教程 （第二版） 15 – 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难 问：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. 二 经典力学的绝对时空观 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 . 绝对时间: 所有惯性系有统一的时间. 绝对空间：空间与运动无关，空间是绝对静止的

15~1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难 物理学教程 (第二版) “绝对的真实的数学时间， 就其本质而言，是永远均匀地 流逝着，与任何外界无关.” “绝对空间就其本质而言 是与任何外界事物无关的，它 从不运动，并且永远不变” 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 第十五章狭义相对论

第十五章 狭义 相对论 物理学教程 （第二版） 15 – 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难 “绝对的真实的数学时间, 就其本质而言, 是永远均匀地 流逝着, 与任何外界无关.” “绝对空间就其本质而言 是与任何外界事物无关的，它 从不运动, 并且永远不变.” 牛顿的绝对时空观 牛顿力学的相对性原理 Ø 实践已证明 , 绝对时空观是不正确的

151伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难 物理学教程 (第二版) 问：对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的 形式是一样的吗？ 三光速依赖于惯性参考系的选取吗 真空中的光速 C= =2.998×108m/s S VE040 对于两个不同的惯性 Mh-c 参考系，光速满足伽利略 x 变换吗？ '=c士⑦？ 第十五章狭义相对论

第十五章 狭义 相对论 物理学教程 （第二版） 15 – 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难 问：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 2.998 10 m/s 1 8 0 0      c 对于两个不同的惯性 参考系 , 光速满足伽利略 变换吗 ？ v?    c '  c  x x' y y' v  o o' z z' s s' c  三 光速依赖于惯性参考系的选取吗

15~1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难 物理学教程 (第二版) 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） 投出前 M-C △t 球投出后 c+) d △t C+) △t,>△t) 结果：观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球， 第十五章狭义相对论

第十五章 狭义 相对论 物理学教程 （第二版） 15 – 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难 球 投 出 前 c  d c d t1  1 2  v t  t   c d t2 结果: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 到观察者所需要的时间. (根据伽利略变换) 球 投 出 后 v   c  v 

15~1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难 物理学教程 (第二版) 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. 物质飞散速度0=1500km/s -c+) B-C 1=5000光年 第十五章狭义相对论

第十五章 狭义 相对论 物理学教程 （第二版） 15 – 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难 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 . 物质飞散速度 v 1500km/s c l = 5000 光年  v   c  A B 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