伽利略变换关系牛顿的绝对时空观重点课件.ppt
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1、经典力学的成就和局限性经典力学的成就和局限性 17 世纪牛顿力学构成了体系世纪牛顿力学构成了体系.可以说,这是物理可以说,这是物理学第一次伟大的综合学第一次伟大的综合.牛顿建立了两个定律,一个是牛顿建立了两个定律,一个是运动定律,一个是万有引力定律,并发展了变量数学运动定律,一个是万有引力定律,并发展了变量数学微积分,具有解决实际问题的能力微积分,具有解决实际问题的能力.他开拓了天体力他开拓了天体力学这一科学,海王星的发现就充分显示了这一点学这一科学,海王星的发现就充分显示了这一点.经典力学可应用于车辆、行船、行星、火箭,以至经典力学可应用于车辆、行船、行星、火箭,以至于原子、基本粒子等方面,
2、如对哈雷彗星回归时间的预于原子、基本粒子等方面,如对哈雷彗星回归时间的预测、海王星的发现、宇宙飞船与空间站的对接和返回地测、海王星的发现、宇宙飞船与空间站的对接和返回地球等等大课题,都能得到完美的解决。球等等大课题,都能得到完美的解决。经典力学的成就和局限性经典力学的成就和局限性思思考考:在在牛牛顿顿力力学学中中,我我们们知知道道,力力F对对物物体体做做功功,可可使使物物体体的的动动能能Ek增增加加。如如果果此此力力持持续续不不断断地地对对这这个个物物体体做做功功,则物体的动能会变为则物体的动能会变为!可能吗可能吗可能吗可能吗一一个个科科学学的的假假设设:一一小小孩孩出出生生后后,立立即即把把
3、他他30岁岁的的父父亲亲送送上上高高速速飞飞行行的的宇宇宙宙飞飞船船。待待小小孩孩40岁岁时时,其其父父亲亲返返回回,其其父父根根据据他他所所带带的的校校准准的的时时钟钟测测出出的的时时间间只只过过了了20年年,即即他他年年龄是龄是50岁!岁!会吗会吗会吗会吗经典力学的成就和局限性经典力学的成就和局限性 在在上上世世纪纪初初,发发生生了了三三次次概概念念上上的的革革命命,它它们们深深刻刻地地改改变变了了人人们们对对物物理理世世界界的的了了解解,这这就就是是狭狭义义相相对对论论(1905)、广义相对论(广义相对论(1916)和量子力学()和量子力学(1925)。)。概括地讲,牛顿力学在概括地讲,
4、牛顿力学在20世纪中受到了三次具有革世纪中受到了三次具有革命性的严重挑战,这就是命性的严重挑战,这就是1905年爱因斯坦建立的年爱因斯坦建立的狭义相狭义相对论对论、1925年前后建立起来的年前后建立起来的量子力学量子力学和和20世纪世纪60年代年代发现的发现的混沌现象混沌现象。这就向人们明确地揭示了牛顿力学局。这就向人们明确地揭示了牛顿力学局限性之所在。限性之所在。经典力学的成就和局限性经典力学的成就和局限性4 相对论质能关系相对论质能关系3 相对论动能相对论动能一一 经典力学只适用于处理物体的低速运动(经典力学只适用于处理物体的低速运动()1 质点高速运动时伽利略变换为洛伦兹变换所代替质点高
5、速运动时伽利略变换为洛伦兹变换所代替2 质点高速运动时的相对论性质量质点高速运动时的相对论性质量经典力学的成就和局限性经典力学的成就和局限性 牛顿力学具有内在随机性牛顿力学具有内在随机性:应用牛顿定律可解的问题:应用牛顿定律可解的问题只是线性的,在自然界中只是一些特例,普遍存在的问只是线性的,在自然界中只是一些特例,普遍存在的问题都是非线性的题都是非线性的.现在知道,只要确定论的系统稍微复现在知道,只要确定论的系统稍微复杂一些,它就会表现出随机行为,运动对初始条件特别杂一些,它就会表现出随机行为,运动对初始条件特别敏感,敏感,存在混沌现象存在混沌现象.目前关于混沌的研究已涉及到生目前关于混沌的
6、研究已涉及到生物学、天文学、社会学等领域物学、天文学、社会学等领域.二二 确定性与随机性确定性与随机性 确定性确定性:已知物体初始运动状态及所受的力,应用已知物体初始运动状态及所受的力,应用牛顿定律可以确定运动物体任意时刻的运动状态和确定牛顿定律可以确定运动物体任意时刻的运动状态和确定的运动轨迹的运动轨迹.初始运动状态的微小变化只能引起运动轨初始运动状态的微小变化只能引起运动轨迹的微小变动迹的微小变动.海王星的发现是牛顿力学确定论成功的海王星的发现是牛顿力学确定论成功的典范典范.经典力学的成就和局限性经典力学的成就和局限性三三 能量的连续性与能量量子化能量的连续性与能量量子化 经典物理中,宏观
7、物体的能量是连续变化的,但经典物理中,宏观物体的能量是连续变化的,但近代物理的理论证明,能量的量子化是微观粒子的重近代物理的理论证明,能量的量子化是微观粒子的重要特性要特性.普普朗克朗克提出一维振子的能量提出一维振子的能量 爱因斯坦认为光子能量爱因斯坦认为光子能量 量子力学指出,物体(微观粒子)的位置和动量量子力学指出,物体(微观粒子)的位置和动量相互联系,但不能同时精确确定,并且一般作不连续相互联系,但不能同时精确确定,并且一般作不连续的变化的变化.经典力学的成就和局限性经典力学的成就和局限性经典物理学的辉煌成就经典物理学的辉煌成就经典力学经典力学 热力学与统计力学热力学与统计力学 光学光学
8、 电动力学电动力学物理学物理学经典物理经典物理现代物理现代物理力学力学热学热学电磁学电磁学光学光学相对论相对论量子论量子论非线性非线性从经典物理学到近代物理过渡时期的重要实验事实从经典物理学到近代物理过渡时期的重要实验事实迈克尔逊迈克尔逊莫雷实验:莫雷实验:否定了绝对参考系的存在;否定了绝对参考系的存在;经典物理学解释经典物理学解释热辐射现象热辐射现象时:出现时:出现“紫外灾难紫外灾难”;放射性放射性现象的发现:原子是可分的。现象的发现:原子是可分的。光电效应光电效应 原子的线状光谱原子的线状光谱 第第4 4章章 狭义相对论力学基础狭义相对论力学基础本章内容:本章内容:4.1 力学相对性原理力
9、学相对性原理 伽利略坐标变换式伽利略坐标变换式4.2 狭义相对论的两个基本假设狭义相对论的两个基本假设4.3 洛伦兹坐标变换式洛伦兹坐标变换式4.4 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观4.5 狭义相对论质点动力学简介狭义相对论质点动力学简介A A君君A A君说:头朝上。君说:头朝上。B B君君但,但,A A 君君 看看 B B 君,大头朝下!君,大头朝下!什么是上?下?什么是上?下?科学的语言必须准确!必须用物理规律科学的语言必须准确!必须用物理规律来表述。来表述。应该用万有引力定律:即认为应该用万有引力定律:即认为 下:指向地心。下:指向地心。B B君也说:头朝上。君也说:头朝上。认识相对
10、性:教育人们要脱离自我,客观地看问题。认识相对性:教育人们要脱离自我,客观地看问题。爱因斯坦的爱因斯坦的哲学观念:哲学观念:自然界应自然界应当是和谐而简单的当是和谐而简单的.理论特色:理论特色:出于简单而归于深奥出于简单而归于深奥.Albert Einstein (1879 1955)20世纪最伟大的物理学家世纪最伟大的物理学家,于于1905年和年和1915年先后创立了狭义相对论和广年先后创立了狭义相对论和广义相对论义相对论,他于他于1905年提出了光量子假年提出了光量子假设设,为此他于为此他于1921年获得诺贝尔物理学年获得诺贝尔物理学奖奖,他还在量子理论方面具有很多的重他还在量子理论方面具
11、有很多的重要的贡献要的贡献.1895年年(16岁岁):追光假想实验追光假想实验(如果我以速如果我以速度度c追随一条光线运动,那么我就应当看到,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,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都应当象一个相对于地球是静
12、止的观察者所看到的那样按照同样一些定律进行。所看到的那样按照同样一些定律进行。)1999年:英国年:英国杂志推出的千年刊评选有史以来最杂志推出的千年刊评选有史以来最杰出的十位物理学家:杰出的十位物理学家:1.爱因斯坦爱因斯坦(美籍德国人,美籍德国人,19211921*),2.2.牛顿牛顿(英国英国),3.3.麦克斯韦麦克斯韦(英国英国),4.),4.玻尔玻尔(丹麦,丹麦,1922)1922),5.5.海森伯海森伯(德国,德国,1932)1932),6.6.伽伽利略利略(意大利意大利),7.7.费因曼费因曼(美国,美国,1965),8.1965),8.狄拉克狄拉克(英国,英国,1933)1933
13、),9.9.薛定谔薛定谔(奥地利,奥地利,1933),10.1933),10.卢瑟福卢瑟福(新西兰新西兰)A:成功:成功x:勤奋:勤奋y:正确的方法:正确的方法z:务必少说空话。:务必少说空话。A=x+y+z 一伽利略变换式一伽利略变换式 经典力学的相对性原理经典力学的相对性原理4.1 力学相对性原理力学相对性原理 伽利略坐标变换式伽利略坐标变换式明确研究的问题明确研究的问题:事件:事件:某一时刻发生在某一空间位置的事例。某一时刻发生在某一空间位置的事例。例如:车的出站、进站,火箭的发射,导弹的例如:车的出站、进站,火箭的发射,导弹的 爆炸,部队的出发,总攻的发起,城市的攻占爆炸,部队的出发,
14、总攻的发起,城市的攻占 在坐标系中,一个事件对应于一组在坐标系中,一个事件对应于一组时空坐标时空坐标。两组时空坐标之间的关系称为两组时空坐标之间的关系称为坐标变换。坐标变换。在在两个惯性系两个惯性系(实验室参考系(实验室参考系S与运动参考系与运动参考系S)中考察同中考察同一一物理事件。物理事件。伽利略坐标变换伽利略坐标变换当当 时时与与 重合重合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)空间的量度是)空间的量度是绝对的,与参考系无关绝对的,与参考系无关;2)时间的量时间的量度也是绝对的,与参考系无关度也是绝对的,与参考系无关.加速度变换公式加速度变换公式伽利略速度变换公
15、式伽利略速度变换公式 在在两两相互作匀速直线运动的惯性系中,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牛顿运动定律具有相同的形式.*位置坐标逆变换公式位置坐标逆变换公式加速度逆变换公式加速度逆变换公式速度逆变换公式速度逆变换公式牛顿运动定律具有伽利略变换的不变性牛顿运动定律具有伽利略变换的不变性在牛顿力学中在牛顿力学中 质量与运动无关质量与运动无关 力与参考系无关力与参考系无关 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同的形牛顿力学的规律都具有相同的形式式.这就是这就是经典力学的相对性原理经典力学的相对性原理.也就是说,对于描述力学现象的规律而言,所有惯性系也
16、就是说,对于描述力学现象的规律而言,所有惯性系是等价的。是等价的。相对于不同的参考系相对于不同的参考系,经典力学定律的形式是完全经典力学定律的形式是完全一样的吗一样的吗?牛顿力学的回答牛顿力学的回答:注注 意意 牛顿力学的相对性原理,在宏观、低速的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范围内,是与实验结果相一致的.力学相对性原理告诉我们:力学相对性原理告诉我们:无法借助力学实验的手段确定无法借助力学实验的手段确定惯性系自身的运动状态。惯性系自身的运动状态。如:动量守恒定律如:动量守恒定律 相对于不同的参考系相对于不同的参考系,长度和时间的测量结果是一样的吗长度和时间的
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