第1節(jié)-牛頓眼中的世界上課2011.04PPT優(yōu)秀課件

1、1選修3-4仙游私立一中：嚴(yán)進(jìn)華仙游私立一中：嚴(yán)進(jìn)華21 1 歷史背景及重要實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)歷史背景及重要實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ) 19 19世紀(jì)后期，經(jīng)典物理世紀(jì)后期，經(jīng)典物理學(xué)的三大理論體系使經(jīng)典學(xué)的三大理論體系使經(jīng)典物理學(xué)已趨于成熟。物理學(xué)已趨于成熟。兩朵烏云：兩朵烏云： 黑體輻射實(shí)驗(yàn)。黑體輻射實(shí)驗(yàn)。 近代物理學(xué)的兩近代物理學(xué)的兩大支柱，逐步建立大支柱，逐步建立了新的物理理論。了新的物理理論。3一、經(jīng)典的相對(duì)性原理1 1、慣性系：、慣性系： 牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參考系牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參考系 相對(duì)于一個(gè)慣性參考系做勻速直線運(yùn)動(dòng)的另相對(duì)于一個(gè)慣性參考系做勻速直線運(yùn)動(dòng)的另一個(gè)參考系也是慣性系一個(gè)參考系也是慣性系2 2

2、、伽利略相對(duì)性原理、伽利略相對(duì)性原理 力學(xué)規(guī)律力學(xué)規(guī)律在任何在任何慣性系慣性系中都是相同的中都是相同的 還可表述為：在一個(gè)慣性參考系內(nèi)進(jìn)行的任還可表述為：在一個(gè)慣性參考系內(nèi)進(jìn)行的任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都不能判斷這個(gè)慣性系是否相對(duì)于何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都不能判斷這個(gè)慣性系是否相對(duì)于另一個(gè)慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng)；或者說，任何另一個(gè)慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng)；或者說，任何慣性系都是平權(quán)的。慣性系都是平權(quán)的。4 在兩個(gè)慣性系中分析描述同一物理事件在兩個(gè)慣性系中分析描述同一物理事件(event)3.3.伽利略變換伽利略變換OXKO(X)KvP(x, y, z)rr觀察者觀察者A在慣性系在慣性系K中，觀察中，觀察者者B在慣性系在慣性

3、系K中。中。 K以速度以速度v相對(duì)于相對(duì)于K運(yùn)動(dòng)，一小球在慣運(yùn)動(dòng)，一小球在慣性系性系K中的速度為中的速度為u,則：則：小球相對(duì)于慣性系K的速度為？u v u 5當(dāng)小球運(yùn)動(dòng)到空間某點(diǎn)P是，觀察者A測得小球的時(shí)間和空間坐標(biāo)分別是t和x，觀察者B測得的時(shí)間和空間為t和x，有：vtxxtt經(jīng)典力學(xué)的伽利略經(jīng)典力學(xué)的伽利略變換，也是力學(xué)相變換，也是力學(xué)相對(duì)性原理的數(shù)學(xué)表對(duì)性原理的數(shù)學(xué)表達(dá)式達(dá)式6 牛頓的伽利略相對(duì)性原理是作為基牛頓的伽利略相對(duì)性原理是作為基本假設(shè)提出來的，它之所以為人們接受本假設(shè)提出來的，它之所以為人們接受承認(rèn)，一方面是牛頓力學(xué)在解決力學(xué)問承認(rèn)，一方面是牛頓力學(xué)在解決力學(xué)問題獲得的巨大成

4、功；另一方面觀察結(jié)果題獲得的巨大成功；另一方面觀察結(jié)果與人們的經(jīng)驗(yàn)相符。與人們的經(jīng)驗(yàn)相符。 但是十九世紀(jì)中葉，人們?cè)谘芯康鞘攀兰o(jì)中葉，人們?cè)谘芯颗c物體運(yùn)動(dòng)有關(guān)的電磁現(xiàn)象時(shí)，發(fā)現(xiàn)與物體運(yùn)動(dòng)有關(guān)的電磁現(xiàn)象時(shí)，發(fā)現(xiàn)在在電磁現(xiàn)象的規(guī)律不符合相對(duì)性原理電磁現(xiàn)象的規(guī)律不符合相對(duì)性原理 其中最典型的就是其中最典型的就是光速光速的問題的問題7 光速恒定的特性，同運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理光速恒定的特性，同運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理之間似乎產(chǎn)生了矛盾？之間似乎產(chǎn)生了矛盾？麥克斯韋預(yù)言了光的電磁本質(zhì)以及電磁麥克斯韋預(yù)言了光的電磁本質(zhì)以及電磁波的速度是一個(gè)定值波的速度是一個(gè)定值v v光速光速 c光速光速vc8 當(dāng)時(shí)人們?yōu)榱私鉀Q這個(gè)

5、困難，提出了三種可當(dāng)時(shí)人們?yōu)榱私鉀Q這個(gè)困難，提出了三種可能：能：（1 1）麥克斯韋電磁理論有錯(cuò)，正確的電磁方程）麥克斯韋電磁理論有錯(cuò)，正確的電磁方程組應(yīng)滿足伽利略不變性。組應(yīng)滿足伽利略不變性。（2 2）牛頓力學(xué)與麥克斯韋電磁理論都對(duì)，但麥）牛頓力學(xué)與麥克斯韋電磁理論都對(duì)，但麥克斯韋電磁理論只在某一特殊的慣性系成立。克斯韋電磁理論只在某一特殊的慣性系成立。（3 3）牛頓力學(xué)與伽利略變換不對(duì)，應(yīng)存在某種）牛頓力學(xué)與伽利略變換不對(duì)，應(yīng)存在某種變換，麥克斯韋電磁理論在這種新的變換下具變換，麥克斯韋電磁理論在這種新的變換下具有不變性。這意味著經(jīng)典牛頓力學(xué)要作修改，有不變性。這意味著經(jīng)典牛頓力學(xué)要作修改，

6、修改后的力學(xué)方程在新的變換下具有不變性。修改后的力學(xué)方程在新的變換下具有不變性。9二、相對(duì)性原理與電磁規(guī)律 1919世紀(jì)后半葉和世紀(jì)后半葉和2020世紀(jì)初，物理學(xué)家們?cè)?jīng)世紀(jì)初，物理學(xué)家們?cè)?jīng)猜想，有一種叫做以太的介質(zhì)，彌漫在宇宙中，猜想，有一種叫做以太的介質(zhì)，彌漫在宇宙中，它是電磁波傳播時(shí)所需要的介質(zhì)，拿以太做參考它是電磁波傳播時(shí)所需要的介質(zhì)，拿以太做參考系時(shí)麥克斯韋的電磁理論才成立今天看來，系時(shí)麥克斯韋的電磁理論才成立今天看來，以以太是某一特殊參考系的代表太是某一特殊參考系的代表麥 克 爾 遜麥 克 爾 遜莫 雷 實(shí) 驗(yàn)?zāi)?雷 實(shí) 驗(yàn)10二 邁克耳遜 莫雷實(shí)驗(yàn)P1M2M2l1lvO111l

7、ltc v c v122211/lcvc對(duì)光線（對(duì)光線（1） ：OMO1地球系地球系u112M2vt對(duì)光線（對(duì)光線（2）OMO22222222222211/llltuccvvc設(shè)設(shè)lll212122l vtttc c 212vc tlc 211122222111/llvtccvcc由于物體運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速，則做小量處理有：由于物體運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速，則做小量處理有：同樣做小量處理有：同樣做小量處理有：2222222221121/llvtcccvc12)(cv21222vlc光程差的差別為：光程差的差別為：N光程差的差別與條紋移動(dòng)的關(guān)系為：光程差的差別與條紋移動(dòng)的關(guān)系為：當(dāng)儀器轉(zhuǎn)動(dòng)當(dāng)儀器轉(zhuǎn)動(dòng)

8、時(shí)，時(shí)， 2/2122l vtttc c 222vc tlc 222l vNc13邁克耳遜邁克耳遜莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果，說明了莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果，說明了“以太以太”本身不存在。本身不存在。該實(shí)驗(yàn)被認(rèn)為是狹義相對(duì)論的主要實(shí)驗(yàn)支柱之一。該實(shí)驗(yàn)被認(rèn)為是狹義相對(duì)論的主要實(shí)驗(yàn)支柱之一。18811881年邁克耳遜第一次實(shí)年邁克耳遜第一次實(shí)驗(yàn)，預(yù)期驗(yàn)，預(yù)期04.0N18871887年邁克耳遜和莫雷改年邁克耳遜和莫雷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，預(yù)期進(jìn)實(shí)驗(yàn)，預(yù)期4 .0N實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果0N邁克耳遜干涉儀精度可觀測到邁克耳遜干涉儀精度可觀測到0.010.01個(gè)條紋的移動(dòng)。個(gè)條紋的移動(dòng)。19071907年邁克耳遜因創(chuàng)制精密光學(xué)儀器而獲得

9、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年邁克耳遜因創(chuàng)制精密光學(xué)儀器而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)四四 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的幾種解釋對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的幾種解釋 可見光和電磁波的運(yùn)動(dòng)不服從伽利略相對(duì)原理可見光和電磁波的運(yùn)動(dòng)不服從伽利略相對(duì)原理.14 光速是不變的使我物理學(xué)家面臨一個(gè)困難的選擇：光速是不變的使我物理學(xué)家面臨一個(gè)困難的選擇：要么放棄麥克斯韋的電磁理論，要么否定特殊參要么放棄麥克斯韋的電磁理論，要么否定特殊參考系的存在考系的存在.愛因斯坦選擇了后者愛因斯坦選擇了后者.他認(rèn)為，既然他認(rèn)為，既然在不同的慣性系中力學(xué)規(guī)律都一樣，我們會(huì)很自在不同的慣性系中力學(xué)規(guī)律都一樣，我們會(huì)很自然地想到，電磁規(guī)律在不同的慣性系中也是一樣然地想到，電磁規(guī)律在

10、不同的慣性系中也是一樣的，也就是說，并不存在某一個(gè)特殊參考系（例的，也就是說，并不存在某一個(gè)特殊參考系（例如地球參考系、太陽參考系，或者所謂的以如地球參考系、太陽參考系，或者所謂的以太太）愛因斯坦把伽利略的相對(duì)性原理推廣到）愛因斯坦把伽利略的相對(duì)性原理推廣到電磁規(guī)律和一切其他物理規(guī)律，成為他的第一個(gè)電磁規(guī)律和一切其他物理規(guī)律，成為他的第一個(gè)假設(shè)：假設(shè)：15三、狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)1 1、狹義相對(duì)性原理、狹義相對(duì)性原理 在不同的慣性參考系，一切物理規(guī)律都是在不同的慣性參考系，一切物理規(guī)律都是相同的相同的2 2、光速不變?cè)?、光速不變?cè)?真空中的光速在不同的慣性參考系中是相真空中的光速在不同

11、的慣性參考系中是相同的，光速與光源、觀察者間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)沒有同的，光速與光源、觀察者間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)沒有關(guān)系。關(guān)系。 就是在看來如此簡單且最一般的兩個(gè)假設(shè)的就是在看來如此簡單且最一般的兩個(gè)假設(shè)的基礎(chǔ)上愛因斯坦建立了一套完整的理論基礎(chǔ)上愛因斯坦建立了一套完整的理論狹狹義相對(duì)論義相對(duì)論16對(duì)兩個(gè)基本原理的正確理解自然規(guī)律不僅包括力學(xué)規(guī)律，還包括電磁學(xué)規(guī)自然規(guī)律不僅包括力學(xué)規(guī)律，還包括電磁學(xué)規(guī)律等其他所有的物理學(xué)規(guī)律；律等其他所有的物理學(xué)規(guī)律；強(qiáng)調(diào)真空中的光速不變指大小既不依賴于光源強(qiáng)調(diào)真空中的光速不變指大小既不依賴于光源或觀察者的運(yùn)動(dòng)，也不依賴于光的傳播方向或觀察者的運(yùn)動(dòng)，也不依賴于光的傳播方向 幾十年

12、來科學(xué)家采用各種先進(jìn)的物理技術(shù)測量幾十年來科學(xué)家采用各種先進(jìn)的物理技術(shù)測量光速，結(jié)果都不違背光速不變?cè)?。光速，結(jié)果都不違背光速不變?cè)怼?7小 結(jié)一、伽利略相對(duì)性原理伽利略相對(duì)性原理 力學(xué)規(guī)律力學(xué)規(guī)律在任何在任何慣性系慣性系中都是相同的中都是相同的二、相對(duì)性原理與電磁規(guī)律發(fā)生矛盾相對(duì)性原理與電磁規(guī)律發(fā)生矛盾三、狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)三、狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè) 1 1、狹義相對(duì)性原理、狹義相對(duì)性原理 在不同的在不同的慣性參考系慣性參考系，一切物理規(guī)律一切物理規(guī)律都是相都是相同的同的 2 2、光速不變?cè)怼⒐馑俨蛔冊(cè)?真空中的光速真空中的光速在不同的慣性參考系中是在不同的慣性參考系中是相同

13、相同的，光速與光源、觀察者間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)沒有關(guān)的，光速與光源、觀察者間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)沒有關(guān)系。系。18 191 1、地球相對(duì)以太靜止論、地球相對(duì)以太靜止論 20 恒星光行差現(xiàn)象（恒星光行差現(xiàn)象（17271727年發(fā)現(xiàn)）：年發(fā)現(xiàn)）： 觀察恒星光線的視方向與觀察恒星光線的視方向與“真實(shí)真實(shí)”方向之間有一夾角，方向之間有一夾角，這說明若以太存在，將不能被地球拖動(dòng)。若被拖動(dòng)則地球上這說明若以太存在，將不能被地球拖動(dòng)。若被拖動(dòng)則地球上將看不到光行差現(xiàn)象。地球上觀察天體的方向，應(yīng)是地球相將看不到光行差現(xiàn)象。地球上觀察天體的方向，應(yīng)是地球相對(duì)恒星的運(yùn)動(dòng)速對(duì)恒星的運(yùn)動(dòng)速度度與光速合成的方向。與光速合成的方向。 cv

14、vcvtg1理論計(jì)算：理論計(jì)算：對(duì)太陽光的實(shí)驗(yàn)觀測：對(duì)太陽光的實(shí)驗(yàn)觀測：0 00573. 041smv/100 .34 地球不是絕對(duì)參照系。但由于以太很輕，地球在以地球不是絕對(duì)參照系。但由于以太很輕，地球在以太中運(yùn)動(dòng)可以拖動(dòng)以太一起運(yùn)動(dòng)。但這種說法與光行差太中運(yùn)動(dòng)可以拖動(dòng)以太一起運(yùn)動(dòng)。但這種說法與光行差現(xiàn)象矛盾?，F(xiàn)象矛盾。21 vc vvc vAB地球地球1222假定認(rèn)為沿相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)方向上物體長度收縮為假定認(rèn)為沿相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)方向上物體長度收縮為則在地球上觀測，光沿則在地球上觀測，光沿OM1O時(shí)間：時(shí)間：221lvc22221111221121lvclvcl ctcvcvvc沿沿OM2O無收縮無收縮：222221lctvc2112221llcvc210因此因此2112222222,11lcl cttvcvc1222221llcvc同理：同理：23以太以太l1801年，托馬斯年，托馬斯楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)表明，光楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)表明，光是一種波動(dòng)，我們知道水波的載體是水，聲波是一種波動(dòng)，我們知道水波的載體是水，聲波的載體是空氣。那么光既然是波，應(yīng)該有一種的載體是空氣。那么光既然是波，應(yīng)該有一種載體。人們想起了亞里士多德的以太理論。亞載體。人們想起了亞里士多德的以太理論。亞里士多德認(rèn)為，以太只