高二物理競(jìng)賽邁克爾孫莫雷實(shí)驗(yàn)課件

19世紀(jì)末電磁學(xué)有了很大發(fā)展，1865年，麥克斯韋總結(jié)出電磁場(chǎng)方程組；預(yù)言了電磁波的存在，指出真空中沿各個(gè)方向的速率均為c。1889年赫茲在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了電磁波的存在。

§15-2

邁克爾孫—

莫雷實(shí)驗(yàn)一、歷史背景

但是，在伽利略速度變換中，光速在一個(gè)參考系中若是c，在另一參考系中必不是c。電磁理論和伽利略變換相矛盾。電磁場(chǎng)方程組在哪個(gè)參考系成立呢?

按伽利略變換，電磁波相對(duì)于其他參考系(如地球)速率就不會(huì)各向均勻，而和此參考系相對(duì)于“以太”的速度有關(guān)。

為不和伽利略變換矛盾,人們假設(shè):宇宙中充滿了叫“以太”的物質(zhì),電磁波靠“以太”傳播.

把以太選作絕對(duì)靜止參考系；電磁場(chǎng)方程組只在“以太”參考系成立。電磁波在“以太”參考系中速率各向?yàn)閏。

如果這個(gè)絕對(duì)靜止的參考系是存在的,力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等等一切物理規(guī)律都可以納入牛頓力學(xué)的框架,牛頓力學(xué)的時(shí)空觀就永保統(tǒng)治地位,不可動(dòng)搖.

19世紀(jì)末，很多精確的實(shí)驗(yàn)和觀察都企圖在地球參考系中測(cè)到光速大于c或小于c的結(jié)果。其中最著名的是邁克爾孫—莫雷實(shí)驗(yàn)。

猜測(cè)以太的性質(zhì)：剛性賽過(guò)寶石，而其粘滯性必須為零，物質(zhì)在它里面運(yùn)行，沒(méi)有摩擦，比在水中更流暢；它不受星球吸力作用，也不對(duì)行星軌道施加任何影響等等.

為了測(cè)量地球相對(duì)于“以太”的運(yùn)動(dòng),1881年,邁克爾孫用他自制的干涉儀進(jìn)行測(cè)量,沒(méi)有結(jié)果.1887年,他與莫雷以更高的精度重新做了此類實(shí)驗(yàn),仍得到零結(jié)果.G

M2M2

G（從系看）設(shè)“以太”參考系為S系，實(shí)驗(yàn)室為系GM1M2T在任何參考系中，光在真空中的速率均為ｃ。

邁克爾孫—

莫雷實(shí)驗(yàn)最初的目的是為了證實(shí)以太的存在,不幸的是卻以否定的結(jié)論證實(shí)了以太是不存在的。零結(jié)果:未觀測(cè)到地球相對(duì)于“以太”的運(yùn)動(dòng)速度.G

M1

G時(shí)間G

M2

G時(shí)間設(shè)“以太”參考系為S系，實(shí)驗(yàn)室為系GM1M2TM2M1GT

將整個(gè)干涉儀繞中心旋轉(zhuǎn)90度,兩束相干光的相位差為-Δ，旋轉(zhuǎn)前后的相位差變化了2Δ由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致條紋移動(dòng)數(shù)目為

人們?yōu)榫S護(hù)“以太”觀念作了種種努力，提出了各種理論，但這些理論或與天文觀察，或與其它的實(shí)驗(yàn)相矛盾，最后均以失敗告終.儀器可測(cè)量精度

實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)中所用的數(shù)據(jù)為代入上式計(jì)算得實(shí)驗(yàn)未觀察到地球相對(duì)于“以太”的運(yùn)動(dòng).是否為儀器精度造成？1）電磁場(chǎng)方程組不服從伽利略變換。2）在一個(gè)慣性系內(nèi)采用光學(xué)實(shí)驗(yàn)無(wú)法確定該慣性系相對(duì)于其他慣性系的運(yùn)動(dòng)，即電磁現(xiàn)象服從相對(duì)性原理。問(wèn)題：電磁場(chǎng)方程組不服從伽利略變換電磁現(xiàn)象服從相對(duì)性原理矛盾邁克耳孫——莫雷零結(jié)果的意義§15-3狹義相對(duì)論的基本假設(shè)邁克爾孫—

莫雷實(shí)驗(yàn)零結(jié)果給人們提出了問(wèn)題：(1)如果認(rèn)為伽利略變換正確,那么電磁規(guī)律不符合相對(duì)性原理?(2)如果假定電磁規(guī)律符合相對(duì)性原理,那么伽利略變換則應(yīng)該修正?愛(ài)因斯坦深入分析了此問(wèn)題，于1905年發(fā)表了《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》作出了對(duì)整個(gè)物理學(xué)都有變革意義的回答。AlbertEinstein——20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家1905年創(chuàng)建狹義相對(duì)論，提出了光量子假設(shè).1915年創(chuàng)立廣義相對(duì)論,1921年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).一、狹義相對(duì)論的基本原理1.相對(duì)性原理在所有慣性系中物理規(guī)律都是一樣的.愛(ài)因斯坦提出兩條基本假設(shè)：意義：1）是力學(xué)的相對(duì)性原理的推廣.4）拋棄以太，否定了絕對(duì)靜止參照系的存在.5）任何物理實(shí)驗(yàn)都不能確定本參考系的速度.2）一切物理規(guī)律(力、熱、光、電、…)對(duì)任何慣性系都有相同的形式。3）一切慣性系都是等價(jià)(平權(quán))的。在所有慣性系測(cè)量真空中的光速都是c.狹義相對(duì)論拋棄了伽里略變換，拋棄了絕對(duì)時(shí)空觀。2.光速不變?cè)硪饬x：1）光速不滿足伽俐略速度變換式,與伽利略的速度變換針?shù)h相對(duì).3)光速與光源和觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，與傳播方向無(wú)關(guān)，與頻率無(wú)關(guān)。2）光速恒定，所以邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)中條紋不會(huì)移動(dòng)。二洛倫茲變換式在兩個(gè)慣性系中對(duì)同一事件的描述形式不同，之間存在一個(gè)變換關(guān)系——變換式.變換式與相應(yīng)的相對(duì)性原理相對(duì)應(yīng)。牛頓力學(xué)的相對(duì)性原理對(duì)應(yīng)伽利略變換；與狹義相對(duì)性原理相對(duì)應(yīng)的變換是洛侖茲變換。洛侖茲變換變換關(guān)系應(yīng)該滿足兩個(gè)條件：1）狹義相對(duì)論兩條基本假設(shè).2)當(dāng)質(zhì)點(diǎn)速率遠(yuǎn)小于真空中的光速時(shí)，新的變換關(guān)系應(yīng)該能回歸到伽俐略變換.設(shè)兩慣性系s和s′，

s′以恒速u相對(duì)于s運(yùn)動(dòng)，兩慣性系的O和O′

重合時(shí)刻t=t′=0,從O點(diǎn)發(fā)一閃光經(jīng)一段時(shí)間光傳到p點(diǎn)兩個(gè)參考系中相應(yīng)的坐標(biāo)值之間的關(guān)系尋找*ps系中s′系中(1)由光速不變?cè)恚?2)只有x方向發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)推導(dǎo)兩組坐標(biāo)關(guān)系時(shí)考慮到*p根據(jù)上述四式利用比較系數(shù)法，將4個(gè)系數(shù)確定，即可得到洛侖茲坐標(biāo)變換式。(3)空間均勻各向同性,要求與的變換應(yīng)滿足線性關(guān)系洛侖茲變換坐標(biāo)變換式正變換正變換令逆變換1)在相對(duì)論中，時(shí)、空密切聯(lián)系在一起(在x的式子中含有t，t式中含x)。討論2)當(dāng)u<<c時(shí)，洛侖茲變換

伽利略變換。3)若u

c,