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什么是参考系?
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一角海
理论县侯
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什么是参考系?并且参考系之间到底有什么关系。
我很想弄明白这个问题,可总感觉有些难度,看伽利略变换倒觉得参考系之间是一个坐标变换,但又不太象,所以,我想开这个帖,希望征求下大家的意见,一起讨论一下把参考系之间的问题搞明白。
送TA礼物
1楼
2010-03-30 11:01
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一角海
理论县侯
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因为看到很多人总说参考系,参考系来参考系去的,本来还是有点明白的,经过大家反复的提及和解说,我反而把这个问题搞糊涂了。
竞不知参考系为何物了。
2楼
2010-03-30 11:04
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一角海
理论县侯
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楼上各位的解释,我学习了,现在咱们一起来研究相对运动的参考系。不过还是要把以前的帖子找出来做为一个参考。打公式好方便些。呵呵。
在物理学中,如果用数学方法来研究物理的运动,必须要寻找一个参考系,是为了找到一个相对静止点,这个点假定是静止的,因为哲学上已经说过,物质世界都是运动,故没有静止的参考物,只有相对静止的参考系。
最先提出这种相对原理的是伽利略,它建立了一个参考系变换公式。
x`= x + u.t
x = x`-u.t`
y=y`
z=z`
t`=t
这个定义很直观,它跟数学几何中的坐标变换差不多。故我以前总是喜欢用坐标变换来理解伽得略相对参考系变换。
但是在这里还有一个问题。上面这个变换是一维情况,如果是三维的呢?伽氏变换没有说过,事实上,也没有人说得清楚,也不敢说它的三维情况。因为如果定义了三维,上面的一维定义就要出现问题了。为什么三维不好定义,是因为时间t没有定义清楚,时间在物理学中,是一个常识,就是时间是一维的,是不变的,不可能有分量。故总有人喜欢只提一维情况,但按我的假设速度u不变,则很容易定义三维变换,因此,伽利略变换同样存在有数学问题,这个如果仔细思考就会明白的。
比如在三维几何坐标系中,一个矢量长度投影就可分解三维情况
L=x+y+z
如果在一维状态下,其投影为它的本身,假设在X轴上
L=x
y=0
z=0
如果是伽氏变换的一维情况,则有
x`= x + u.t
x = x`-u.t`
y=y`=0
z=z`=0
t`=t
令t`=t,把x`=v`.t`=v`.t代入上式,得
v`=v + u
v =v`- u
这就是伽利略相对性原理。它的根本条件是时间相等原理(t`=t),v`的速度可以为任意值。
10楼
2010-03-30 20:11
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一角海
理论县侯
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这个相对速度u还是有必要说清楚的,在这里,用V来替代相对速度u,假设两个参考系都是运动的,其运动速度分别为u, υ ,则两个参考系之间的相对速度为V,那么,V与它们的关系为
V = υ + u
按数学几何来分解,则有
V = Vx + Vy
Vx = υx + ux
Vy = υy + uy
理论上,两参考系之间的相对速度V值可以是无穷,目前发现,物理系之间最最快速度为光速c,根据物理条件,则有
0≤V ≤2c
0≤υ ≤c
0≤u≤c
比如,两束光沿相反的方向传播,它们之间的相对速度为2c,此称为伽利略相对速度。
11楼
2010-03-30 20:22
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一角海
理论县侯
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由于物理学中假设了光速不变原理,光对参考系不具有惯性,两束光相对速度没有多少应用,故最有应用价值的是
V=c±u
这个关系式可以用来解释光在两地传播时会出现系统时差效应,比如西安东京卫星通信时间延迟,被实验证明过的Sagnac效应.利用光速不变原理,还可解释横向观测光的洛仑兹效应,这就是1937年实验验证过的相对论多普勒效应,等等。
凡是与光参与的伽氏相对性原理,如果利用了光速不变,可解释也可推论出很多光学观测效应。
比如,做一个题会更好了解 V=c±u 的物理价值。
路基上有三点M、O、N,其中了OM=m,ON=n。一列货车以速度v,沿MON方向行驶,当列车经过O点时发出一道闪光。求列车上的观察者看到闪光到达M点和N点的时间差。
解:根据光速不变原理和伽利略相对性的时间相等原理,有
1/c=s/v
(1+ s + h)/c = h/v
可得出
tm=(s+h)/v = 2m/(c-v)
由
n/c=s/v
(n- s - h)/c = (h)/v
可得出
tn=(s+h)/v = 2n/(c+v)
时间差取绝对值T=tm-tn= 2[(n-m)c-(n+m)u]/(c²-u²)
当m=1时,得
T=tm-tn= 2[(n-1)c-(n+1)u]/(c²-u²)
当m=n时,得
T=tn-tm = 4n.u/(c²-u²)
如果上式还无法理解,那么,就把上面的问题化为圆盘旋转问题,可令 n=π.r,u=ω.r,S=π.r²,则T为
T= 4ω.S/(c²-u²)≈4ω.S/c²
我相信大家很熟悉上面这个结果,它就是被实验证明过的Sagnac效应.
12楼
2010-03-30 20:36
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一角海
理论县侯
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由于性子太急,象竹筒倒豆子一样倒出来,毕竟没有教师的潜质,也不可能有那么好的耐心,故如果不明白话,大家可以相互交流,以求得出更好的更令人接受的推导。
由于数学家们不理解物理数学公式的物理意义,一旦发现一个新的数学物理公式,便会表现出极大的兴趣研究它的合理性,而不顾它们的物理意义。这样就容易产生一讹传讹的效果。
物理学公式中很多数学烂帐都是数学家们推波助澜所造成的。
13楼
2010-03-30 20:44
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一角海
理论县侯
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伽氏变换的一维情况为
伽氏变换的一维情况,则有
x`= x + u.t
x = x`-u.t`
y=y`=0
z=z`=0
t`=t
在这里,我们不能令t`=t,x`=v`.t,x=v.t,因为很有可能,x`与x分别代表两个参考系世界,而不是两个坐标系长度。但如果在光速情况下,也许另当别论了,因为物质世界都可假定由光物质所组成的。
究竟x`系与x`系里有什么,这不是相对性原理所能描述的,相对运动仅仅是为了描述运动之间的相对性,主要是为了描述两参考系之间的相对速度。
故,伽利略相对性描述,如果仅仅是为了描述坐标变换,这是应用错误了。
如果是为了坐标变换,那一定是相对速度V起了主要作用。
比如,在波动方程▽`²A - (1/c²).(d²A/dt`²)=0 中,伽利略坐标量x`与x与物理量A的物理意义差不多。
14楼
2010-03-31 09:58
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一角海
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在这里,就有必要假设为V速(V为相对速度)不变了,为了描述方便故伽利略一维为
x`= x + V.t
x = x`- V.t`
y=y`=0
z=z`=0
t`= t
在这里,两系中的(x`,y`,z`),(x,y,z)分别代表物理量,而不是坐标值。
15楼
2010-03-31 10:01
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一角海
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所以,在对波动方程的坐标变换中,变换的是相对速度V中的时空坐标,而不是参考系中的(x`,y`,z`),(x,y,z),故这一点我们要区分清楚,否则,就会说不清楚了,事实上,到现在也没有人说清楚过这个问题,不知是科普没有说清楚,还是那些学术官家本来就没有理解到这一点。
反正,到现在我这个被官科所鄙视的民科才算是正式提出来了。
16楼
2010-03-31 10:05
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一角海
理论县侯
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就事论事,洛氏变换,实际上描述的是时空坐标变换,而这一点恰恰没有人强调过这一点。
它与伽氏变换完全是两回事。
总不能把一个变换即当作参考系变换,又当作坐标变换来用,这样会造成矛盾的。
17楼
2010-03-31 10:14
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一角海
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如果是伽利略坐标变换,则可加一个假设速度不变原理,尽管速度的相对时空坐标可变,但速度是不变的,则可建立一个伽利略时空坐标变换。
令:
L`= L + V.t
L = L`- V.t`
L= x + y + z
L`= x`+ y`+ z`
t= t`
在三维投影轴上,有
x`= x + V.tx
y`= x + V.ty
z`= x + V.tz
t= tx + ty + tz
逆变换为
x = x` - V.tx`
y = y` - V.ty`
z = z` - V.tz`
t`= tx`+ ty`+ tz`
其中有t= t`,两坐标系(x`,y`,z`),(x,y,z)是与相对速度V相关的两时空坐标变换值。
18楼
2010-03-31 10:44
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一角海
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太乱了,慢慢来,为何假设速度V不变呢?
如果一个参考系为静止,另一个参考系为运动,选择合适方向,则相对速度为V=u,相对速度V是可变的,但动体的速度u是不变的。
很明显,观测一个动体,你不论从那个角度观测它,它的速度u总是不变的,你站在静止系A点观测它,它是这个速度,你站在静止系B点观测,它还是这个速度。
比如,雷达测速就是这样的,它在这个点测飞机的速度是U,在那个点上的雷达测飞机的速度仍然是U,不可能出现这个雷达测的速度是U,那部雷达测的速度是V。
比如,你站在岸边观测一束波传播的速度是u,你在船上观测那束波的速度仍然是u,故可假设,速度不变。
19楼
2010-03-31 18:40
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一角海
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现在从数学的角度来看,比如站在岸边观测一束波的波动方程为
▽`²A - (1/c²).(d²A/dt`²)=0
很明显,c为波传播的速度。有r`=c.t`。
假设站在船上观测一束波的波动方程为
▽²A - (1/c²).(d²A/dt²)=0
有r=c.t。
现在要找到r`与r的关系,很明显,根据观测者所处的位置不同,这是一个矢量关系,
r`= r + s
t`= t + ts
这个关系一般只在欧氏时空中,而不是其它时空中。
20楼
2010-03-31 19:05
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一角海
理论县侯
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回复21楼:
比如,在波动方程▽`²A - (1/c²).(d²A/dt`²)=0 中,伽利略坐标量x`与x与物理量A的物理意义差不多。
此话正是你所说的意思。
23楼
2010-03-31 19:31
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2025-12-24 19:21:38
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r`= r + s
t`= t + ts
在这里还要分两种情况。
一种情况是:当s为常数时,即另一时空坐标系r`与r的距离s是不变的,s与时空坐标的变化无关,则得
dr`=dr
dt`=dt
则波动方程为
▽`²A - (1/c²).(d²A/dt`²)=▽²A - (1/c²).(d²A/dt²)
另一种情况是:当s不为常数时,即s与r时空坐标变化有关,那么,这就要复杂些了,由于水平有限,故不能深入研究了。
此时,可以发现,一维洛仑兹变换满足波动方程的时空坐标系变换。
25楼
2010-04-01 12:58
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