伽利略相對性原理的內容與弊端
伽利略相對性原理即是指力學(xué)規律在所有慣性坐標系中是等價(jià)的，力學(xué)過(guò)程對于靜止的慣性系和運動(dòng)的慣性系是完全相同的，下面是小編為大家整理推薦的一篇探究伽利略相對性原理的論文范文，歡迎前來(lái)閱讀查看。
前言
人類(lèi)生活在地球上，直觀(guān)上感受不到地球的自轉和公轉。所以古人都會(huì )理所當然的認為地球是靜止的，而其它天體，如：太陽(yáng)、月亮等都是繞著(zhù)地球轉的。這樣的思想由于其表象合理性很容易被大眾所接受，所以“地心說(shuō)”在當時(shí)是很完美合理的解釋。但是，每一個(gè)偉大的結論都是由質(zhì)疑、提問(wèn)開(kāi)始的。波蘭天文學(xué)家哥白尼對“地心說(shuō)”提出了質(zhì)疑，并提出了“日心說(shuō)”.他認為太陽(yáng)才是宇宙的中心，一切天體都繞著(zhù)太陽(yáng)轉動(dòng)，包括地球。然而，當時(shí)的歐洲是一個(gè)被宗教神學(xué)統治思想的時(shí)代，“日心說(shuō)”這樣的學(xué)說(shuō)在當時(shí)無(wú)異于對宗教的質(zhì)疑。所以，這位科學(xué)家的理論并沒(méi)有被大眾所接受，但是“日心說(shuō)”也并沒(méi)有被埋沒(méi)。隨后伽利略對哥白尼的學(xué)說(shuō)加以支持和發(fā)展，并在其基礎上提出了伽利略相對性原理批判了“地心說(shuō)”并論證和發(fā)展了“日心說(shuō)”,為人類(lèi)正確的認識科學(xué)作出了卓越的貢獻，從此人類(lèi)對科學(xué)的認識開(kāi)始從宗教的束縛中解脫出來(lái)。該文將以近代物理學(xué)發(fā)展的時(shí)間順序為主線(xiàn)，探究伽利略相對性原理的產(chǎn)生以及發(fā)展。介紹伽利略相對性原理的內容和其自身的不足以及為其他理論的創(chuàng )立所起到的作用。
論述其在近代物理學(xué)史上不可替代的重要作用。
1 伽利略相對性原理的創(chuàng )立過(guò)程
1.1 伽利略相對性原理的創(chuàng )立背景
歐洲中世紀經(jīng)過(guò)神學(xué)改裝了的亞里士多德的自然觀(guān)占有絕對的政治地位，它成為封建神權統治者統治民眾思想的工具。亞里士多德認為，地球和地上所有物體都是由四種元素組成的，它們分別是氣、火、水、土。其中火和氣形成向上流動(dòng)的輕物，水和土形成了向下掉落的重物。而一種叫做“以太”的物質(zhì)組成了天體。由于受到封建神權的思想統治，沒(méi)有人敢質(zhì)疑亞里士多德模式的地心體系。因此，天文學(xué)上的行星運動(dòng)問(wèn)題，就成為了科學(xué)擺脫神學(xué)而獨立形成新的科學(xué)體系的關(guān)鍵。也是正確描述運動(dòng)現象和建立正確的物理理論所必須要解決的問(wèn)題。托勒密認為地球是靜止不動(dòng)的。他是這樣解釋的“:如果地球不是靜止的，它如何能保持地上的物體停留在地面上而不運動(dòng)呢?地上的物體并沒(méi)有都固定在地面上，亞里士多德說(shuō)過(guò)，任何重物必然保持不動(dòng)。如果地球是運動(dòng)的，那地面上物體豈不是會(huì )滑動(dòng)嗎?既然看不到地面上的物體滑動(dòng)，那就只能說(shuō)明地球是靜止不動(dòng)的。”
哥白尼認為地球有三種運動(dòng)，分別是自轉、公轉和地軸回轉。所有天體公共軌道并不存在也就是說(shuō)并不存在所有天體的共同中心。而地球只是引力中心和月球軌道的中心，并非宇宙的中心。所有的天體都繞太陽(yáng)轉動(dòng)，宇宙的中心在太陽(yáng)的附近。地球與太陽(yáng)的距離遠遠小于天地之間的距離。在天空中看到的任何運動(dòng)，都是由地球的運動(dòng)引起的。在空中看到的太陽(yáng)的一切運動(dòng)，都并非它本身運動(dòng)產(chǎn)生的。而是由地球運動(dòng)引起的，地球同時(shí)進(jìn)行著(zhù)幾種運動(dòng)。但是哥白尼的“日心說(shuō)”并不是完美的。哥白尼體系還缺乏充分的物理依據以及新的觀(guān)測數據或者實(shí)驗事實(shí)。并且地球運動(dòng)應該能夠測到恒星的周年視差，但當時(shí)仍未觀(guān)測到。哥白尼沖破了教會(huì )神權思想統治的束縛，改變了人類(lèi)在宇宙觀(guān)上錯誤看法。人們不再盲目相信神圣的教條，開(kāi)始用文藝復興所提倡的自由精神去重新審視自然界的一切運動(dòng)現象。17世紀初，開(kāi)普勒首先指出關(guān)于亞里士多德對受迫運動(dòng)和自然圓運動(dòng)的區分，首次提出了慣性的概念。他根據第谷觀(guān)測到的行星位置的數據，發(fā)現了行星運動(dòng)的三定律從而否定了托氏地心體系。他的第一定律否定了圓形軌道論;第二定律否定了勻線(xiàn)速運動(dòng);第三定律建立了各行星之間的聯(lián)系;他還進(jìn)一步提出研究行星運動(dòng)的物理原因問(wèn)題。
伽利略把哥白尼、開(kāi)普勒開(kāi)創(chuàng )的新科學(xué)觀(guān)加以論證和發(fā)展，并以自己在教廷壓迫下的犧牲喚起了人們對日心說(shuō)的公認。并且在他的著(zhù)作《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話(huà)》中從理論上論證了日心說(shuō)的科學(xué)基礎。該書(shū)以三人辯論形式而作，書(shū)中三人分別是伽利略的代言人沙爾維薩，亞里士多德的代言人辛普利邱以及中立的沙格列托[1].伽利略在著(zhù)作中的第二天討論了地球自轉會(huì )不會(huì )引起落體偏西、飛鳥(niǎo)落后、大炮不準、氣球散架等現象。并在著(zhù)作中的第二天伽利略初次闡明慣性定律、運動(dòng)疊加原理并首次提出相對性原理[1].但是教會(huì )的殘酷鎮壓使得意大利失去了一個(gè)偉大的科學(xué)家。并導此后的幾百年都沒(méi)有再出現一位偉大的科學(xué)家，但是歐洲其他國家的科學(xué)隨著(zhù)“日心說(shuō)”的被認可和人們思想的解放而發(fā)展起來(lái)。伽利略在人類(lèi)思想解放和文明發(fā)展的過(guò)程中做了劃時(shí)代的貢獻。在當時(shí)的社會(huì )條件下，為爭取不受權勢和和舊傳統壓制的學(xué)術(shù)自由、為近代科學(xué)的的發(fā)展、他進(jìn)行了堅持不懈的斗爭。因此他是科學(xué)的先驅?zhuān)部梢哉f(shuō)是“近代科學(xué)之父”,對于近代物理學(xué)的發(fā)展有里程碑意義。
1.2 伽利略相對性原理的提出所解決的問(wèn)題
在否定了荒謬的神學(xué)科學(xué)觀(guān)和“地心說(shuō)”之后，伽利略相對性原理的提出開(kāi)始解釋物體運動(dòng)的原因，研究物體怎樣運動(dòng)。
伽利略首先遇到的難題是糾正被弄得混淆雜亂的“運動(dòng)”與“靜止”的基本概念。哥白尼體系的勝利已經(jīng)把“絕對靜止”論徹底打破。伽利略通過(guò)對相對性原理的闡明，提出了運動(dòng)與靜止的相對性。他指出：“運動(dòng)只是相對于沒(méi)有這種運動(dòng)的物體才存在”,指出了對不同的參照系(物)運動(dòng)的不同寫(xiě)照。
“唯一可以觀(guān)察到的是我們沒(méi)有參加的運動(dòng)”,實(shí)際上提出了慣性參照系的問(wèn)題。運動(dòng)的描述是相對的，在觀(guān)測所有的物理現象和描述所有的物理規律時(shí)都是相對于某一參照系而言的。因此在研究力學(xué)現象時(shí)，所有的慣性系全都是等價(jià)的[2].力學(xué)相對性原理：對于所有慣性系，力學(xué)現象都有相同的規律且力學(xué)定律都各有各的形式[2].也可以說(shuō)，在研究力學(xué)現象時(shí)，一切慣性系都是等價(jià)的[2].在任意慣性系中進(jìn)行的力學(xué)實(shí)驗都有相同的結果，所以我們不能通過(guò)力學(xué)實(shí)驗來(lái)發(fā)現系統的慣性運動(dòng)。伽利略相對性原理的提出徹底的粉碎了“地心說(shuō)”,人類(lèi)開(kāi)始正確認識物體運動(dòng)的問(wèn)題。
2 伽利略相對性原理的內容
2.1 文字表述
在伽利略的著(zhù)作《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話(huà)》中，伽利略是這樣描述的：“把你和其他人關(guān)在一條大船甲板下的主艙里，再帶著(zhù)幾只蒼蠅、蝴蝶和其他小飛蟲(chóng)[3].艙內放一只透明大水缸，水缸中有幾條魚(yú)[3].然后在水缸上面掛一個(gè)水瓶，讓水一滴一滴地滴到下面的一個(gè)水杯里[3].
當船靜止不動(dòng)時(shí)，留神觀(guān)察，小蟲(chóng)都向著(zhù)不同的方向以相同的速度飛行著(zhù)。魚(yú)兒也做著(zhù)和飛蟲(chóng)相同的運動(dòng)，水滴滴進(jìn)杯子里。當你把任意東西扔給另一個(gè)人時(shí)，只要兩人間的距離相等，向任意方向丟東西用的力氣都是相同的。如果一個(gè)人在船艙地板上雙腳齊跳，無(wú)論朝向哪個(gè)方向跳，跳過(guò)的距離都是相等的。仔細地觀(guān)察并記錄這些現象之后，再給船以任意速度行駛，只要船的運動(dòng)是勻速的不左右擺動(dòng)[3].我們會(huì )發(fā)現，同樣觀(guān)察上述現象沒(méi)有任何變化，誰(shuí)也無(wú)法從其中任何一個(gè)現象來(lái)判斷船的運動(dòng)狀態(tài)[3].假使船運動(dòng)得非�？�，人在在跳躍時(shí)，還是會(huì )和以前一樣。只要在船底板上跳過(guò)相同的距離，無(wú)論是跳向船尾還是跳向船頭用的力氣都是相同的。雖然當人跳到空中時(shí)，腳下的船底板是背離人跳的方向移動(dòng)的。同樣兩個(gè)人相互仍東西時(shí)，不論對方是在船頭還是在船尾。
只要兩人之間距離相同，無(wú)論方向如何，仍東西所用的力氣都是相同的。水滴也依然像先前一樣，滴進(jìn)下面的杯子里不會(huì )有任意一滴水滴飄向船尾。雖然水滴在空中時(shí)，船已經(jīng)行駛了一段距離。魚(yú)在水中游向水缸或者游向水缸后部所用的力氣依然相同。最后，蝴蝶和蒼蠅也都繼續隨便地到處飛。它們也絕不會(huì )因為長(cháng)時(shí)間留在空中而向船尾集中最后脫離船[3].”伽利略描述了一個(gè)極為簡(jiǎn)單而重要的道理：從平穩行駛的船中發(fā)生的任何現象，無(wú)法判斷船究竟是在平穩勻速運動(dòng)還是停著(zhù)不動(dòng)，現在稱(chēng)這個(gè)論斷為伽利略相對性原理[3].
用現代的術(shù)語(yǔ)來(lái)概括，伽利略相對性原理可表述為：一個(gè)對于慣性系作勻速直線(xiàn)運動(dòng)的其它參考系，其內部所發(fā)生的一切物理過(guò)程，都不受到系統作為整體的勻速直線(xiàn)運動(dòng)的影響或者說(shuō)不可能在慣性系內部進(jìn)行任何物理實(shí)驗來(lái)確定該系統作勻速直線(xiàn)運動(dòng)的速度[3].既然對于慣性系作勻速直線(xiàn)運動(dòng)的系統內遵從同樣的物理學(xué)規律，由此可得出結論：相對于一切慣性系作勻速直線(xiàn)運動(dòng)的一切參考系都是慣性系，也就是對于物理學(xué)規律來(lái)說(shuō)，一切慣性系都是等價(jià)的[3]
2.2 數學(xué)表述
伽利略變換是伽利略相對性原理的數學(xué)表述。它定量表明了力學(xué)基本原理的數學(xué)表述在所有慣性系內的等同性、不變性，正確地反映了宏觀(guān)低速范圍內機械運動(dòng)的時(shí)空關(guān)系。伽利略變換只適用于低速(速度遠遠小于光速)的機械運動(dòng)。伽利略變換又稱(chēng)伽利略坐標變換，也就是說(shuō)選取不同的慣性系來(lái)描述同一個(gè)力學(xué)過(guò)程時(shí)相對應的坐標和時(shí)間變量之間的變換。
設慣性系S靜止，其時(shí)空坐標為(t、x、y、z)，另一慣性系S′的時(shí)空坐標為(t′、x′、y′、z′)。S′系的x′軸與k系的x軸重合，y′、z′軸分別與y、z軸平行。S′系以速度v沿x軸相對于k系作勻速直線(xiàn)運動(dòng)。在S′系原點(diǎn)與k系原點(diǎn)重合的一瞬間，校準分別靜止于兩個(gè)坐標系的鐘，使t=t′=0,于是，得到伽利略坐標變換式[4]:
上述變換式表明，物體的長(cháng)度即兩事件之間的空間間隔、兩事件之間的時(shí)間間隔、物體的加速度，都是不變量。就是說(shuō)在不同的慣性坐標系中，它們的值保持不變。通過(guò)這個(gè)變換，經(jīng)典力學(xué)定律在不同的慣性系中具有了相同的形式。
3 伽利略相對性原理的弊端
雖然伽利略相對性原理的提出推翻了人們對于物體運動(dòng)的不正確看法，帶領(lǐng)人們重新正確認識物體運動(dòng)的問(wèn)題，但是伽利略相對性原理也有其局限性，有弊端。伽利略變換適用于宏觀(guān)低速范圍內的機械運動(dòng)，但是當遇到高速運動(dòng)規律和電磁現象時(shí)，尤其是電磁現象，雖然物體運動(dòng)速度比光速小的多，但是由于電磁相互作用的傳播速度是光速，所以，伽利略變換將不再適用，慣性系之間的變換應該用洛倫茲變換替換。
兩個(gè)慣性系S和S',它們的坐標軸彼此平行，且當初始時(shí)刻t=t′=0時(shí)，兩慣性系的原點(diǎn)O、O′重合，S′系以速度v沿公共軸x-x′軸作勻速運動(dòng)。在S系中觀(guān)察者觀(guān)測某一物理事件p時(shí)所獲得的時(shí)空坐標值為x、y、z、t,而S‘系中另一觀(guān)察者觀(guān)測同一物理事件P所獲得的時(shí)空坐標值為x′、y′、z′、t′，它們之間的關(guān)系為[5]:
上面給出的同一事件在S系與S′系中時(shí)空坐標的變換稱(chēng)為洛倫茲變換。把洛倫茲變換與伽利略變換相比較，兩者有差別也有一定的聯(lián)系。當S系與S’系之間的相對速度遠遠小于光速時(shí)，洛倫茲變換就可近似到伽利略變換，從這個(gè)層面上說(shuō)洛倫茲變換包含了伽利略變換。
4 伽利略相對性原理與狹義相對論的關(guān)系
洛倫茲變換是狹義相對論的基礎。在狹義相對論中占據主要地位，是伽利略相對性原理與狹義相對論本質(zhì)區別的數學(xué)體現。一切參考系都是平權的也就是說(shuō)，物理規律在任意的參考系中都是相同的。在伽利略提出慣性定律以及相對性原理的時(shí)候。人們就已經(jīng)認識到，一切慣性系都是平權的。伽利略把這一思想用伽利略變換的形式表達出來(lái)。
但是后來(lái)由于伽利略變換只適用于宏觀(guān)低速的機械運動(dòng)而對于高速運動(dòng)和電磁現象時(shí)不適用，電磁學(xué)理論與伽利略變換的矛盾開(kāi)始顯現。
20世紀初愛(ài)因斯坦指出，物理規律在任意慣性系中相同的思想依然是正確的，只是需要修改伽利略變換這個(gè)數學(xué)表述形式。于是，他把上述提出的思想稱(chēng)之為“相對性原理”.并把這個(gè)原理與光速不變性原理一起作為新理論的基礎，得出洛倫茲變換取代了伽利略變換。并建立起狹義相對論�？梢哉f(shuō)狹義相對論是由伽利略相對性原理推廣后的得出的。愛(ài)因斯坦狹義相對論較伽利略相對性原理的完美之處在于其使用范圍。經(jīng)愛(ài)因斯坦推廣而得到的狹義相對論的適用范圍不再局限于一般的低速運動(dòng)，對于諸如：電、光的運動(dòng)也能做出科學(xué)的解釋。合理的解釋了經(jīng)典力學(xué)與電磁學(xué)之間的矛盾。
5 結論
如果說(shuō)牛頓發(fā)現萬(wàn)有引力定律是因為一個(gè)蘋(píng)果偶然砸到他的頭上，由此引發(fā)了牛頓對于地心引力的思考。那么伽利略的成功將更加值得人欽佩。在一個(gè)宗教神學(xué)統治思想的年代，敢于向“上帝”叫板，提倡科學(xué)是一件相當有勇氣的事。伽利略一生對于近代物理學(xué)的貢獻非常大，他提出了相對性原理。從政治上看，由于他對神學(xué)自然觀(guān)的公開(kāi)反駁，人們開(kāi)始從神學(xué)統治思想的枷鎖下解脫出來(lái)。從自然科學(xué)角度來(lái)說(shuō)為人們正確認識運動(dòng)打下了良好的基礎。當然伽利略相對性原理對于物理學(xué)的貢獻絕不僅限于此。在伽利略研究物體運動(dòng)的過(guò)程中，他利用數學(xué)和實(shí)驗相結合的科學(xué)思想科學(xué)的解釋運動(dòng)的問(wèn)題。伽利略相對性原理在近代物理學(xué)發(fā)展中可以說(shuō)占據著(zhù)至關(guān)重要的位置。首先伽利略相對性原理的提出是人類(lèi)正確認識科學(xué)的開(kāi)端，同時(shí)在伽利略相對性原理的基礎上才有了牛頓運動(dòng)定律的建立。以及在伽利略相對性原理基礎上推廣出來(lái)的愛(ài)因斯坦狹義相對論。每一個(gè)科學(xué)成果都對人類(lèi)認識科學(xué)有不可取代的重要作用。所以說(shuō)伽利略是當之無(wú)愧的“近代物理學(xué)之父”,而他所提出的伽利略相對性原理更是近代物理學(xué)中最穩定的奠基石。
參考文獻：
[1] 陳毓芳，鄒延肅。物理學(xué)史簡(jiǎn)明教程[M].北京師范大學(xué)出版社，2012.
[2] 李慶臻。簡(jiǎn)明自然辯證法詞典[M].山東人民出版社，1986.
[3] 趙凱華，羅蔚茵。力學(xué)[M].2版。高等教育出版社，2004.
[4] 趙崢，劉文彪。廣義相對論基礎[M].清華大學(xué)出版社，2010.
[5] 郭碩鴻。電動(dòng)力學(xué)[M].3版。高等教育出版社，2008.
【伽利略相對性原理的內容與弊端】相關(guān)文章：
流產(chǎn)的弊端The Disadvantages of Induced Abortion03-20
大學(xué)生做兼職好處和弊端03-31
職場(chǎng)禮儀內容12-13
軍訓內容心得12-09
主題內容方案01-21
實(shí)習內容總結12-19
感謝父母作文的內容12-13
企業(yè)實(shí)踐內容心得11-07
社會(huì )實(shí)踐內容12-18