伽利略的相对性原理伽利略的相对性原理.doc

伽利略的相对性原理 最早提出相对论的主题即运动的相对性问题的，是近代科学之父伽利略。在中世纪的欧洲，托勒密的地球中心说长期以来占据着统治地位。而伽利略则拥护哥白尼的太阳中心说。当时的学者们强烈反对伽利略关于“地球在运动”的观点，其理由如下：（1）我们感觉不到地球在运动。（2）如果地球既有公转也有自转，那么地球上的物体岂不是都会被向后抛吗？（3）如果地球在自西向东自转的话，那么从高处由静止落下的石头，将不会落到正下方，而必然会落到偏西的位置。不是没有观察到这样的事实吗？ 实际上地球的自转速度是很大的，在赤道上达到了每秒460米。对于这些批评，伽利略分别进行了如下反驳。对于第一点，我们感觉不到地球在运动，与我们乘坐以匀速运动的船时感觉不到船在运动是一样的。这种想法与相对性原理以及作为相对论的基础的惯性系的概念相联系。对于第二点和第三点，因为地球上的物体与地球一起运动着，下落的石头在水平方向与地球以同样的速度运动，所以仍然会落到正下方，这个观点与惯性定律相联系。 惯性定律可以表述为：“如果物体完全不受外力作用，它将保持匀速直线运动状态（静止的物体将保持静止）。”这是由笛卡儿继承伽利略的观点最终完成的。惯性定律看起来像是最理所当然的定律，实际上并非如此。在日常生活中，运动的物体会自然地停止下来。这是因为摩擦力和空气阻力是不可避免的。在伽利略以前，人们认为像大炮的炮弹等投掷出去的物体依靠最初获得的“势”而运动，失去势以后就会停止下来。而伽利略和笛卡儿则洞察到如果没有外力作用，物体具有保持匀速直线运动的性质。以后，这个定律成了力学的基本定律。伽利略。笛卡儿不能用实验完全证明惯性定律，这是由于在地球上不可能实现没有摩擦和空气阻力的环境。现在，可以清楚地看到惯性定律的作用，在无重力的宇宙飞船中就可以直截了当地看到。观看关闭发动机后航行的宇宙飞船中的情景，物体一旦开始运动就不会停止，从中能很好地理解惯性定律的正确性。 惯性系 那么，惯性定律在任何地方都成立吗？不，并非在任何地方都成立。在作匀速直线运动的电车和汽车中，与在地面上一样，惯性定律是成立的。但是，当电车和汽车起动、刹车和沿弯道行驶时它就不成立了。放在电车地板上的圆球，当电车起动时自然会开始滚动。在沿着弯曲的道路行驶的电车中，圆球不会沿直线运动。即在速度和运动方向变化的地方（非惯性系），惯性定律不成立。 速度及其方向在1秒钟之内的变化称为加速度。因此在有加速度的地方惯性定律不成立。为了使惯性定律成立，所乘坐的交通工具必须是作匀速直线运动的。这种满足惯性定律成立的条件的地方称为惯性系。 为了表示物体的位置和运动，我们采用称为坐标系的方法。所谓坐标系，即是规定三个相互垂直的坐标轴——x轴、y轴和z轴，将它们作为基准来表示运动着的物体的位置和速度的方法。 到现在为止，我们使用的是地上和交通工具中这类说法，此后将使用坐标系这种说法。这样一来，惯性系即是指固定于地上和作匀速直线运动的交通工具上的坐标系。 如果固定在地上的坐标系是惯性系，由于固定在相对于它作匀速直线运动的交通工具上的坐标系全都是惯性系，因此可知惯性系有无穷多个。 “但是，因为地球既有公转也有自转，它不是与在弯道上行驶的汽车一样，不是惯性系吗？”也许有些读者会有这样的疑问。这个问题问得好。因为地球在旋转，固定在地球上的坐标系严格地说不是惯性系。但是由于我们考察球下落等物体运动所需的时间极短，不妨认为地球在这期间大致上作匀速直线运动。于是，可以认为地上是惯性系。此后将固定于地上的坐标系视为惯性系。 还是让我们考虑一下严格地说哪里是惯性系这个问题吧。固定于太阳的坐标系是比地球更好的惯性系。但是，仔细想来太阳也一面自转一面在银河系中旋转，因此，严格地说它仍然不是惯性系。 理想的惯性系大概是独自漂游在远离星星的宇宙空间的宇宙飞船中的坐标系吧。由于相对于这艘宇宙飞船作匀速运动的其他宇宙飞船都是惯性系，所以惯性系还是有无穷多个。 伽利略的相对性原理 正如伽利略所说的那样，如果我们乘坐在相对于地面作匀速运动的交通工具中，又看不到外面，就感觉不到它在运动。不仅如此，做投接球练习也与在地面上完全一样。如果交通工具足够大，在上面踢足球、打网球也毫无二致。也就是说物体的运动方式完全一样。 这样，在一切惯性系中，物体遵循相同的运动规律。这就是伽利略的相对性原理。这个原理可以更正确地叙述为： “在一切惯性系中，力学的规律都是相同的。” 牛顿力学 洞察到地上的物体与天体（月球、行星）的运动遵循共同的规律，并完成了称为力学的整个理论体系的，是艾萨克·牛顿（英国人）。他总结出三条运动定律。 运动第一定律