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1、第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）15 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伽利略变换关系牛顿力学相对性原理遇到的的困难x Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）15 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 惯性系：
2、惯性系：物体在某参考系中物体在某参考系中,不受其他物体不受其他物体作用而保持静止或匀速直线运动状态作用而保持静止或匀速直线运动状态,这个参考这个参考系称为惯性系系称为惯性系.相对惯性系静止或匀速直线运动的参照系相对惯性系静止或匀速直线运动的参照系也是惯性系也是惯性系.并称他们并称他们互为惯性系互为惯性系.以下讨论均在互为以下讨论均在互为惯性系惯性系的两个参考系的两个参考系中中.第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）15 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两个参考系对称性两个参考系对称性静止静
3、止 运动运动 理解狭义相对理解狭义相对论的关键在于论的关键在于:建立两个互为惯性建立两个互为惯性系的参考系系的参考系.第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）15 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 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 问：问：相对于不同的参考系相对于不同的参考系,经典力学定律的形经典力学定律的形式是完全一样的吗式是完全一样的吗？比如比如P点空间坐标是否相等点空间坐标是否相等？不相等不相等!关系如何关系如何?匀速直线运动匀速直线运动*第十五
4、章第十五章 狭义狭义 相对论相对论物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）15 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伽利略坐标变换伽利略坐标变换空间和时间的量度都是绝对的空间和时间的量度都是绝对的,与参考系无关与参考系无关.*正变换正变换 两个参考系对称性两个参考系对称性正变换正变换 逆变换逆变换逆变换逆变换坐标变换的不变性坐标变换的不变性第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）15 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加速度变换加速度
5、变换伽利略速度变换伽利略速度变换 对于任何惯性参照系对于任何惯性参照系,牛顿力学的规律都具有相牛顿力学的规律都具有相同的形式同的形式.这就是这就是经典经典(牛顿牛顿)力学的相对性原理力学的相对性原理.两个参考系对称性两个参考系对称性在宏观、低速的范围内，是与实验结果相一致的在宏观、低速的范围内，是与实验结果相一致的.第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）15 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 问：问：相对于不同的参考系相对于不同的参考系,长度和时间的测长度和时间的测量结果是一样的吗量结果是
6、一样的吗?绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无关无关,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、经典力学的绝对时空观二、经典力学的绝对时空观绝对绝对时间时间: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：空间与运动无关空间与运动无关,空间是绝对静止的空间是绝对静止的.第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）15 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 “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
7、均匀是永远均匀地流逝着地流逝着,与任何外界无关与任何外界无关.”“绝对空间就其本质而言绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的是与任何外界事物无关的，它从不运动它从不运动,并且永远不变并且永远不变.”第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）15 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伽利略变换伽利略变换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.伽利略变换？牛顿力学的相对性原理？伽利略变换？牛顿力学的相
8、对性原理？都存在局限性！都存在局限性！第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）15 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 问问：对对于于不不同同的的惯惯性性系系,电电磁磁现现象象基基本本规规律律的的形形式式是一样的吗是一样的吗?如电磁波如电磁波(光光)的传播速度的传播速度?对对于于两两个个不不同同的的惯惯性性参参考考系系,光速满足伽利略变换吗？光速满足伽利略变换吗？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 光光在在真真空空中中的的传传播播速速度度早早在在1864 年年由由麦
9、麦克克斯斯韦韦推导得出推导得出:第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）15 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以飞机上的灯光为例以飞机上的灯光为例 设飞机上的灯光速度为设飞机上的灯光速度为c飞飞这一结果对吗这一结果对吗?第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）15 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球球投投出出前前结果结果:观察者先看到投出后的球观察者先看到投出后的球,后看到投出前的球后看到
10、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)球球投投出出后后第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）15 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 900 多年前（公元多年前（公元1054年年5月）一次著名的月）一次著名的超新星超新星爆发爆发，这次爆发的残骸形成了著名的金牛星座的蟹状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星云。北宋天文学家记载从公
11、元 1054年 1056年均能均能用肉眼观察用肉眼观察,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.物质飞散速度物质飞散速度l=5000 光年光年AB 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,现研究超现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问新星爆发过程中光线传播引起的疑问.第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）15 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实
12、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?理论计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=5000 光年光年物质飞散速度物质飞散速度AB A 点光线到达点光线到达地球所需时间地球所需时间B 点光线到达点光线到达地球所需时间地球所需时间第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）15 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实践证明实践证明:光速不满足伽利略变换光速不满足伽利略变换!以太：以太：充满宇宙的一种特殊物质充满宇宙的一种特殊物质
13、 光的传播速度与光源的运动无关！光的传播速度与光源的运动无关！那么那么 c 是是相对什么的速度？相对什么的速度？c 依赖于惯性参考系的选取吗依赖于惯性参考系的选取吗?迈克尔孙迈克尔孙 莫雷实验莫雷实验 设想设想“以太以太”是绝对的惯性系是绝对的惯性系,光在真空中的光在真空中的传播速度是相对传播速度是相对“以太以太”的速度的速度.实验试图计算出实验试图计算出地球表面相对地球表面相对“以太以太”的速度的速度.第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）15 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 迈克尔孙
14、迈克尔孙 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年迈年迈克尔孙用他自制的干涉仪进行测量克尔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,仍得到零仍得到零结果结果,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，提出了提出了各种理论各种理论，但这些理论或与天文观察，或与其它的实，但这些理论或与天文观察，或与其它的实验相矛盾，最后均以验相矛盾，最后均以失败失败告终告终.实验结果实验结
15、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.仪器可测量精度仪器可测量精度理论预测理论预测第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）15 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“山穷水尽疑无路，山穷水尽疑无路，”陆游游山西村陆游游山西村1167“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。不是庐山真面目，只缘身在此山中不是庐山真面目，只缘身在此山中”苏轼题西林壁苏轼题西林壁1084 我们看到的现象或对事物的描述，往往随我们看到的现象或对事物的描述，往往随观测的
16、角度而异。超越从个别角度认识问题，观测的角度而异。超越从个别角度认识问题，超越自我认识的局限性，超越自我认识的局限性，第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）15 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地球在哪儿？地球在哪儿？光速为什么不变呀？光速为什么不变呀？.如果光速真的不变，这个世如果光速真的不变，这个世界会是什么样呢？界会是什么样呢？第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）15 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1893年洛仑兹提出年洛仑兹提出“长度收缩长度收缩”1894年菲兹杰惹提出年菲兹杰惹提出“收缩因子收缩因子”1904年彭加勒提出年彭加勒提出“相对性原理相对性原理”1904年洛仑兹提出年洛仑兹提出“洛仑兹变换洛仑兹变换”但是他们均没有否定但是他们均没有否定“以太以太”的存在，所的存在，所以不能自圆其说。以不能自圆其说。1905年爱因斯坦大胆地否定了年爱因斯坦大胆地否定了“以太以太”的存的存在提出在提出“两条基本原理两条基本原理”，创立了狭义相对论理，创立了狭义相对论理论。论。为了解释迈克尔孙为了解释迈克尔孙莫雷实验，人们做了大莫雷实验，人们做了大量的努力。量的努力。