13-1力学相对性原理 伽利略变换

狭义相对论基础（SpecialRelativity）第十三章物理学家开尔文勋爵在一篇于1900年发表的瞻望二十世纪物理学发展的文章中说：“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只需要做一些零星的修补工作就行了”，不过他还不愧为一名确有远见卓识的物理学家，因为他接着又指出：“但是在物理晴朗天空的远处，还有两朵小小令人不安的乌云。”迈克耳逊-莫雷实验黑体辐射物理学经典物理现代物理力学热学电磁学光学相对论量子论非线性狭义相对论(SpecialRelativity)

研究:惯性系中物理规律及其变换揭示:时间、空间和运动的关系§13.1力学相对性原理和伽利略变换一、牛顿绝对时空观经典力学中，时空的测量结果与参考系无关，即空间两点间距及同一运动所经历的时间在不同惯性系中测量的结果都相同。具体包括：1.时间的绝对性：在一个惯性系中同时发生的两件事，在其他惯性系中也同时发生。2.时间间隔的绝对性：同一事件发生的时间间隔在不同惯性系测量结果一样。3.长度测量的绝对性：同一物体的长度在不同惯性系测量结果一样。惯性系：静止或者做匀速直线运动的参考系。二、伽利略变换

y

z

xO.P(x,y,z,t)由牛顿绝对时空观：设有两个参照系s系和s'系，满足：各坐标轴相互平行；s'系相对s系沿x轴以u作匀速直线运动；坐标轴原点O与O'点重合时,

t=t'=0.伽利略速度变换二、力学相对性原理(伽利略相对性原理)：

经典力学规律都是建立在牛顿力学的基础上，这就意味着一切经典力学规律在不同的惯性系中应有相同的形式——力学相对性原理。2）在一个惯性系中，我们无法通过力学实验确定这个惯性系是运动的还是静止的。伽利略变换和相对性原理的出现使物理学在参考系的描述方面前进了一大步。1）惯性系是平权的（彼此、彼此谁也不比谁特殊）“萨尔瓦阿蒂”大船1632年，Galileo在一只叫“萨尔瓦阿蒂”的船上做实验证实了这些结论。西汉时期古书中记述：地恒动不止而人不知，譬如人在大舟中，闭牖[yǒu]而坐，舟行而不觉也。球投出前球投出后

假设光线传播遵从伽利略速度变换，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.观察者先看到球开始运动，后看到球被抛出.结果:三、经典力学的困难

1731年一位英国人用望远镜在南方夜空的金牛星座上发现了一团云雾状的东西，外形象螃蟹，人们称它为“蟹状星云”，后来观测表明，这只‘螃蟹“在膨胀，膨胀速率为0.21"/年，到1920年，它的半径达到了180"，可知从出现经历的总时间约为857年。

研究发现，它是超新星爆发时抛出来的气体壳层。这一事件刚好在我国的史籍里得到了证实。《宋会要》记载：1054年，在金牛星附近出现亮光，白天看起来就比金星亮，历史23天，后来慢慢暗下来，直到1056年才消失。地球超新星它们到达地球所需时间分别为：

声音在空气中传播时的速度与声源是否运动无关，只与空气本身的性质有关。这给我们解释上述疑难提供了一种可能思路，即超新星发出的光的速度与抛射物的速度无关，只与光传播需要的介质的运动状态有关。新的问题：传播光线的介质是什么？参考系又是什么？出现矛盾！当时的理论:宇宙中充满了叫“以太(ether)”的物质,光波靠“以太”传播。以以太为参考的坐标系是绝对静止的参考系;光传播时的速度是相对于“以太”参考系的;它在“以太”参考系中向各个方向传播的速率都是c。①完全透明；②对运动物体没有阻力；③没有质量；④弹性非常好。以太的属性：

按伽利略变换,光波相对于其他参考系(如地球)速率就不会各向一样,而和此参考系相对于“以太”的速度有关。——寻找“以太风”的热潮最著名的是迈克尔逊—莫雷(A.Michelson--W.Morley)实验。其实验大致思路是：若光对以太的速度为c，地球在以太中运动，光源又固定在地球上，依据伽俐略速度变换：地球上测得的向不同方向传播的光的速度不一样。光对地：光对地：正如顺风与逆风骑自行车感觉风速不一样似的。ucuc绝对静止的参照系存在吗?地球与之有相对运动吗?迈克尔逊干涉仪是通过干涉的办法通过干涉条纹的移动来测量光速的。但实验结果并没有看到预期的条纹移动。干涉仪是精度很高的仪器，这一结果只能得出光沿任何方向传播时光速都是一样的结论。使人大吃一惊！这就像一朵乌云一样遮住了物理学晴朗的天空。On27thApril1900,LordKelvinmentionedinalecture“Nineteenth-CenturyCloudsovertheDynamicalTheoryofHeatandLight”the“beautyandclearnessoftheory”wasovershadowedby

“twoclouds”:thenullresultoftheMichelson-Morleyexperiment&theproblemsofblackbodyradiation.

爱因斯坦(AlbertEinstein,1879—1955)

20世纪最伟大的物理学家，相对论的创始人，主要科学成果：早期对布朗运动的研究狭义相对论的创建推动量子力学的发展建立了广义相对论1905年创建的狭义相对论1916年创建的广义相对论1921年获诺贝尔物理学奖金1906年用量子理论说明了固体热容与温度的关系1912年用光量子概念建立了光化学定律1916年提出自激发射和受激发射的概念，为激光的出现奠定了理论基础1924年提出了量子统计方法—玻色-爱因斯坦统计法。现代时空的创始人，二十世纪的哥白尼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。)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)，2.牛顿(英国)，3.麦克斯韦(英国),4.玻尔(丹麦)，5.海森伯(德国)，6.伽利略(意大利)，7.费曼(美国),8.狄拉克(英国)，9.薛定谔(奥地利),10.卢瑟福(新西兰)1922年爱因斯坦访日在即席演讲中有一段话：“还在学生时代，我就在想这个问题了。

爱因斯坦认为：在任何惯性系中光速都是各