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：嚴進華仙游私立一中：嚴進華21 1 歷史背景及重要實驗基礎歷史背景及重要實驗基礎 19 19世紀后期，經(jīng)典物理世紀后期，經(jīng)典物理學的三大理論體系使經(jīng)典學的三大理論體系使經(jīng)典物理學已趨于成熟。物理學已趨于成熟。兩朵烏云：兩朵烏云： 黑體輻射實驗。黑體輻射實驗。 近代物理學的兩近代物理學的兩大支柱，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)典的相對性原理1 1、慣性系：、慣性系： 牛頓運動定律成立的參考系牛頓運動定律成立的參考系 相對于一個慣性參考系做勻速直線運動的另相對于一個慣性參考系做勻速直線運動的另一個參考系也是慣性系一個參考系也是慣性系2 2

2、、伽利略相對性原理、伽利略相對性原理 力學規(guī)律力學規(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：在一個慣性參考系內進行的任還可表述為：在一個慣性參考系內進行的任何力學實驗都不能判斷這個慣性系是否相對于何力學實驗都不能判斷這個慣性系是否相對于另一個慣性系做勻速直線運動；或者說，任何另一個慣性系做勻速直線運動；或者說，任何慣性系都是平權的。慣性系都是平權的。4 在兩個慣性系中分析描述同一物理事件在兩個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相對于相對于K運動，一小球在慣運動，一小球在慣性系性系K中的速度為中的速度為u,則：則：小球相對于慣性系K的速度為？u v u 5當小球運動到空間某點P是，觀察者A測得小球的時間和空間坐標分別是t和x，觀察者B測得的時間和空間為t和x，有：vtxxtt經(jīng)典力學的伽利略經(jīng)典力學的伽利略變換，也是力學相變換，也是力學相對性原理的數(shù)學表對性原理的數(shù)學表達式達式6 牛頓的伽利略相對性原理是作為基牛頓的伽利略相對性原理是作為基本假設提出來的，它之所以為人們接受本假設提出來的，它之所以為人們接受承認，一方面是牛頓力學在解決力學問承認，一方面是牛頓力學在解決力學問題獲得的巨大成

4、功；另一方面觀察結果題獲得的巨大成功；另一方面觀察結果與人們的經(jīng)驗相符。與人們的經(jīng)驗相符。 但是十九世紀中葉，人們在研究但是十九世紀中葉，人們在研究與物體運動有關的電磁現(xiàn)象時，發(fā)現(xiàn)與物體運動有關的電磁現(xiàn)象時，發(fā)現(xiàn)在在電磁現(xiàn)象的規(guī)律不符合相對性原理電磁現(xiàn)象的規(guī)律不符合相對性原理 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，同運動的相對性原理光速恒定的特性，同運動的相對性原理之間似乎產生了矛盾？之間似乎產生了矛盾？麥克斯韋預言了光的電磁本質以及電磁麥克斯韋預言了光的電磁本質以及電磁波的速度是一個定值波的速度是一個定值v v光速光速 c光速光速vc8 當時人們?yōu)榱私鉀Q這個

5、困難，提出了三種可當時人們?yōu)榱私鉀Q這個困難，提出了三種可能：能：（1 1）麥克斯韋電磁理論有錯，正確的電磁方程）麥克斯韋電磁理論有錯，正確的電磁方程組應滿足伽利略不變性。組應滿足伽利略不變性。（2 2）牛頓力學與麥克斯韋電磁理論都對，但麥）牛頓力學與麥克斯韋電磁理論都對，但麥克斯韋電磁理論只在某一特殊的慣性系成立?？怂鬼f電磁理論只在某一特殊的慣性系成立。（3 3）牛頓力學與伽利略變換不對，應存在某種）牛頓力學與伽利略變換不對，應存在某種變換，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)典牛頓力學要作修改，有不變性。這意味著經(jīng)典牛頓力學要作修改，

6、修改后的力學方程在新的變換下具有不變性。修改后的力學方程在新的變換下具有不變性。9二、相對性原理與電磁規(guī)律 1919世紀后半葉和世紀后半葉和2020世紀初，物理學家們曾經(jīng)世紀初，物理學家們曾經(jīng)猜想，有一種叫做以太的介質，彌漫在宇宙中，猜想，有一種叫做以太的介質，彌漫在宇宙中，它是電磁波傳播時所需要的介質，拿以太做參考它是電磁波傳播時所需要的介質，拿以太做參考系時麥克斯韋的電磁理論才成立今天看來，系時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 驗莫 雷 實 驗10二 邁克耳遜 莫雷實驗P1M2M2l1lvO111l

7、ltc v c v122211/lcvc對光線（對光線（1） ：OMO1地球系地球系u112M2vt對光線（對光線（2）OMO22222222222211/llltuccvvc設設lll212122l vtttc c 212vc tlc 211122222111/llvtccvcc由于物體運動速度遠小于光速，則做小量處理有：由于物體運動速度遠小于光速，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的關系為：光程差的差別與條紋移動的關系為：當儀器轉動當儀器轉動

8、時，時， 2/2122l vtttc c 222vc tlc 222l vNc13邁克耳遜邁克耳遜莫雷實驗的零結果，說明了莫雷實驗的零結果，說明了“以太以太”本身不存在。本身不存在。該實驗被認為是狹義相對論的主要實驗支柱之一。該實驗被認為是狹義相對論的主要實驗支柱之一。18811881年邁克耳遜第一次實年邁克耳遜第一次實驗，預期驗，預期04.0N18871887年邁克耳遜和莫雷改年邁克耳遜和莫雷改進實驗，預期進實驗，預期4 .0N實驗結果實驗結果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個條紋的移動。個條紋的移動。19071907年邁克耳遜因創(chuàng)制精密光學儀器而獲得

9、諾貝爾物理學獎年邁克耳遜因創(chuàng)制精密光學儀器而獲得諾貝爾物理學獎四四 對實驗結果的幾種解釋對實驗結果的幾種解釋 可見光和電磁波的運動不服從伽利略相對原理可見光和電磁波的運動不服從伽利略相對原理.14 光速是不變的使我物理學家面臨一個困難的選擇：光速是不變的使我物理學家面臨一個困難的選擇：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.他認為，既然他認為，既然在不同的慣性系中力學規(guī)律都一樣，我們會很自在不同的慣性系中力學規(guī)律都一樣，我們會很自然地想到，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，并不存在某一個特殊參考系（例的，也就是說，并不存在某一個特殊參考系（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性原理推廣到）愛因斯坦把伽利略的相對性原理推廣到電磁規(guī)律和一切其他物理規(guī)律，成為他的第一個電磁規(guī)律和一切其他物理規(guī)律，成為他的第一個假設：假設：15三、狹義相對論的兩個基本假設1 1、狹義相對性原理、狹義相對性原理 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、光速不變原理、光速不變原理 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、觀察者間的相對運動沒有同的，光速與光源、觀察者間的相對運動沒有關系。關系。 就是在看來如此簡單且最一般的兩個假設的就是在看來如此簡單且最一般的兩個假設的基礎上愛因斯坦建立了一套完整的理論基礎上愛因斯坦建立了一套完整的理論狹狹義相對論義相對論16對兩個基本原理的正確理解自然規(guī)律不僅包括力學規(guī)律，還包括電磁學規(guī)自然規(guī)律不僅包括力學規(guī)律，還包括電磁學規(guī)律等其他所有的物理學規(guī)律；律等其他所有的物理學規(guī)律；強調真空中的光速不變指大小既不依賴于光源強調真空中的光速不變指大小既不依賴于光源或觀察者的運動，也不依賴于光的傳播方向或觀察者的運動，也不依賴于光的傳播方向 幾十年

12、來科學家采用各種先進的物理技術測量幾十年來科學家采用各種先進的物理技術測量光速，結果都不違背光速不變原理。光速，結果都不違背光速不變原理。17小 結一、伽利略相對性原理伽利略相對性原理 力學規(guī)律力學規(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、相對性原理與電磁規(guī)律發(fā)生矛盾相對性原理與電磁規(guī)律發(fā)生矛盾三、狹義相對論的兩個基本假設三、狹義相對論的兩個基本假設 1 1、狹義相對性原理、狹義相對性原理 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、光速不變原理、光速不變原理 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、觀察者間的相對運動沒有關的，光速與光源、觀察者間的相對運動沒有關系。系。18 191 1、地球相對以太靜止論、地球相對以太靜止論 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“真實真實”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。若被拖動則地球上這說明若以太存在，將不能被地球拖動。若被拖動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，應是地球相對恒星的運動速對恒星的運動速度度與光速合成的方向。與光速合成的方向。 cv

14、vcvtg1理論計算：理論計算：對太陽光的實驗觀測：對太陽光的實驗觀測：0 00573. 041smv/100 .34 地球不是絕對參照系。但由于以太很輕，地球在以地球不是絕對參照系。但由于以太很輕，地球在以太中運動可以拖動以太一起運動。但這種說法與光行差太中運動可以拖動以太一起運動。但這種說法與光行差現(xiàn)象矛盾。現(xiàn)象矛盾。21 vc vvc vAB地球地球1222假定認為沿相對以太運動方向上物體長度收縮為假定認為沿相對以太運動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時間：時間：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驗表明，光楊的雙縫干涉實驗表明，光是一種波動，我們知道水波的載體是水，聲波是一種波動，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，應該有一種的載體是空氣。那么光既然是波，應該有一種載體。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。亞里士多德認為，以太只