物理實(shí)驗(yàn)的智慧光芒 課件 頭腦里的颶風(fēng)-思想實(shí)驗(yàn)

頭腦里的颶風(fēng)-思想實(shí)驗(yàn)第一節(jié).牛頓拋體實(shí)驗(yàn)（1666年）第二節(jié).牛頓的水桶實(shí)驗(yàn)（1687年）第三節(jié).奧伯斯佯謬（1826年）第四節(jié).愛因斯坦追光實(shí)驗(yàn)（1895年）第五節(jié).孿生子佯謬（1911年）第六節(jié).愛因斯坦電梯實(shí)驗(yàn)（1907年）頭腦里的颶風(fēng)-思想實(shí)驗(yàn)第一節(jié)牛頓拋體實(shí)驗(yàn)艾薩克·牛頓（IssacNewton，1643－1727）英國物理學(xué)家、天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家，經(jīng)典物理學(xué)的奠基人。牛頓在不朽巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中總結(jié)了前人和自己關(guān)于力學(xué)以及微積分學(xué)方面的研究成果，其中含有三條牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬有引力定律，以及質(zhì)量、動(dòng)量、力和加速度等概念，為經(jīng)典力學(xué)的大廈構(gòu)建堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。平拋蘋果落地的時(shí)間與初始速度無關(guān)高速度平拋時(shí)間計(jì)算圖示因?yàn)橹亓?，不做水平直線運(yùn)動(dòng)，而是拋物線下落速度越大，落點(diǎn)越遠(yuǎn)速度足夠大，拋體繞地旋轉(zhuǎn)，如同月亮蘋果落地與月亮繞地球，力是統(tǒng)一的偉大意義：1.把天上的力學(xué)和地上的力學(xué)統(tǒng)一起來，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)發(fā)展史上第一次大綜合。2.建立萬有引力定律的基礎(chǔ)。3.奠定了現(xiàn)代航空航天事業(yè)的基礎(chǔ)。第二節(jié)牛頓的水桶實(shí)驗(yàn)（1）開始時(shí)，桶旋轉(zhuǎn)得很快，但水幾乎靜止不動(dòng)。在粘滯力經(jīng)過足夠的時(shí)間使它旋轉(zhuǎn)起來之前，水面是平的，完全與水桶轉(zhuǎn)動(dòng)前一樣。（2）水和桶一起旋轉(zhuǎn)，水面變成凹狀的拋物面。（3）突然使桶停止旋轉(zhuǎn)，但桶內(nèi)的水還在轉(zhuǎn)動(dòng)，水面仍然保持凹狀的拋物面。結(jié)論空間是絕對(duì)的。牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中說過：絕對(duì)空間，就其本性而言，與外界事物無關(guān)，永遠(yuǎn)是相同的和不動(dòng)的。物理學(xué)家馬赫在馬赫看來：物體的運(yùn)動(dòng)都不是相對(duì)于絕對(duì)空間，而是相對(duì)于別的物體而言的，相對(duì)于絕對(duì)空間的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是不存在的。離開了物體之間的相互關(guān)系，說物體的運(yùn)動(dòng)是毫無意義的。馬赫還認(rèn)為：所有一切都是相對(duì)的，所有的質(zhì)量，所有的速度，所有的力都是相對(duì)的。所以他認(rèn)為牛頓轉(zhuǎn)動(dòng)的水桶是相對(duì)于其它天體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，“水面沿桶壁的升高是離心力的作用的結(jié)果，也可以看作相對(duì)慣性力的作用，而這個(gè)慣性力是無數(shù)遙遠(yuǎn)天體對(duì)水面的引力的作用，所以慣性力本質(zhì)上就是引力。”馬赫認(rèn)為：不存在以太和絕對(duì)空間，一切運(yùn)動(dòng)都是相對(duì)的。狹義相對(duì)論創(chuàng)立馬赫認(rèn)為：慣性效應(yīng)起源于物質(zhì)間相對(duì)加速產(chǎn)生的相互作用慣性力可能與萬有引力有相同或相似的起源，都起源于物質(zhì)間的相互作用，創(chuàng)立廣義相對(duì)論。馬赫原理第三節(jié)奧伯斯佯謬奧伯斯(HeinrichWilhelmMatthäusOlbers，1758—1840)，德國天文學(xué)家、醫(yī)生及物理學(xué)家。在1802年，奧伯斯發(fā)現(xiàn)并命名了智神星，5年后，再發(fā)現(xiàn)灶神星，這次他讓高斯來命名此小行星。在1815年3月6日，他又發(fā)現(xiàn)了一顆周期彗星13P/Olbers（奧伯斯彗星）。奧伯斯佯謬示意圖整個(gè)無限宇宙中有無限多重球殼，對(duì)O點(diǎn)產(chǎn)生的總照度為

天空為什么是黑暗的呢？這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)涉及四大命題：宇宙是無限的。宇宙中到處都有大致分布均勻的恒星，恒星的總數(shù)是無限的。宇宙是靜止的，沒有變化。宇宙存在的時(shí)間是無限長(zhǎng)的。這四個(gè)命題導(dǎo)致奧伯斯佯謬的產(chǎn)生，至少要推翻一個(gè)命題，才能解決矛盾，擺脫佯謬。1917年愛因斯坦以引力場(chǎng)方程為依據(jù)，提出一個(gè)有限無界靜止宇宙模型推翻了奧伯斯佯謬的第一個(gè)命題后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，宇宙還是膨脹的伽莫夫提出的宇宙創(chuàng)生理論，大爆炸模型，宇宙大約開始于137億年前，推翻了第四個(gè)假設(shè)推翻了第三個(gè)命題第四節(jié)愛因斯坦追光實(shí)驗(yàn)愛因斯坦（AlbertEinstein，1879—1955），出生于德國烏爾姆市的一個(gè)猶太人家庭（父母均為猶太人）。1900年畢業(yè)于瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院，入瑞士國籍。1905年，愛因斯坦獲蘇黎世大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位，并提出光子假設(shè)、成功解釋了光電效應(yīng)（因此獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）；同年創(chuàng)立狹義相對(duì)論；1915年創(chuàng)立廣義相對(duì)論。1933年移居美國、在普林斯頓高等研究院任職，1940年加入美國國籍同時(shí)保留瑞士國籍。1999年12月，愛因斯坦被美國《時(shí)代周刊》評(píng)選為20世紀(jì)的“世紀(jì)偉人”。愛因斯坦在16歲時(shí)問的一個(gè)簡(jiǎn)單問題：如果你能趕上一束光的話，它看起來會(huì)像什么樣子呢？這個(gè)問題思考了10年追光實(shí)驗(yàn)牛頓是在那個(gè)時(shí)代一位具有最高思維能力和創(chuàng)造力的人麥克斯韋是繼牛頓之后最偉大的物理學(xué)家兩個(gè)愛因斯坦認(rèn)為最偉大的物理學(xué)家的理論，在遇到光時(shí)出現(xiàn)了矛盾。光波將在空間凍結(jié)凍結(jié)不傳播的電磁場(chǎng)不存在以太不存在光速不變?cè)愍M義相對(duì)論建立相對(duì)性時(shí)空觀，建立起四維時(shí)空同時(shí)性的相對(duì)性、時(shí)間量度的相對(duì)性、空間量度的相對(duì)性相對(duì)論質(zhì)量，相對(duì)論動(dòng)力學(xué)質(zhì)量的相對(duì)性、質(zhì)能關(guān)系愛因斯坦論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)1905年愛因斯坦發(fā)表《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》第五節(jié)孿生子佯謬《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》時(shí)間量度的相對(duì)性——鐘慢效應(yīng)固有時(shí)間:在某慣性系中,同一地點(diǎn)先后發(fā)生的兩個(gè)事件之間的時(shí)間間隔。固有時(shí)間最短一個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘的“1秒”比一系列靜止時(shí)鐘的“1秒”長(zhǎng)，這稱為運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘的“時(shí)間膨脹”或“時(shí)間延緩”。這意味著：運(yùn)動(dòng)的鐘C

變慢了——鐘慢效應(yīng)。物體運(yùn)動(dòng)速度越大，所觀察到的它的內(nèi)部物理過程進(jìn)行的越緩慢這種效應(yīng)是時(shí)空的基本屬性引起的，與鐘的具體結(jié)構(gòu)無關(guān)，不是哪一個(gè)鐘不準(zhǔn)確時(shí)間的本質(zhì)屬性，宇宙中沒有一個(gè)單一的“真實(shí)時(shí)間”，并沒有“普適時(shí)間”，只有小明的時(shí)間、小紅的時(shí)間，和其他一切可能的被某個(gè)觀察者觀察到的時(shí)間1911年，法國物理學(xué)家郎之萬（a）雙生子告別；（b）哥哥乘坐飛船星際旅行，弟弟留守地球；（c）幾十年后飛船歸來；（d）兄弟相見，哥哥依然年輕，弟弟已然白發(fā)老人孿生子佯謬對(duì)于飛船上的哥哥來說，地球上的弟弟在運(yùn)動(dòng)，時(shí)間變慢，更加年輕到底誰年輕？孿生子佯謬的世界線圖中的A線就是雙胞胎中留在地球的兄弟的世界線。對(duì)于星際旅行者來說，他的飛船先加速，接近外星球時(shí)減速，降落，然后再啟動(dòng)返回地球，先加速，接近地球時(shí)減速，降落，預(yù)留在地球上的同胞兄弟相會(huì)，他的世界線是圖中的B線。雙胞胎兄弟的世界線不一樣長(zhǎng)，兩人經(jīng)歷了不同的時(shí)間。這兩根線的長(zhǎng)度顯然不一樣，誰的世界線更長(zhǎng)，誰就更老。在歐幾里得空間中，兩點(diǎn)之間直線最長(zhǎng)，曲線反而比直線要短了出去旅行的人年輕，而地球上的人老。第六節(jié)愛因斯坦電梯實(shí)驗(yàn)有一天，突破口突然找到了。當(dāng)時(shí)我正坐在伯爾尼專利局辦公室里，腦子里忽然閃現(xiàn)一個(gè)念頭，如果一個(gè)人正在自由下落，他絕不會(huì)感覺到自己有重量。我吃了一驚，這個(gè)簡(jiǎn)單的思想實(shí)驗(yàn)給我的印象太深了。他把我引向了引力理論。。。。。。伯爾尼專利局時(shí)期的愛因斯坦愛因斯坦電梯思想實(shí)驗(yàn)1.電梯靜止在一個(gè)引力場(chǎng)強(qiáng)為a的星球表面2.電梯在無引力場(chǎng)的外太空以加速度a運(yùn)動(dòng)設(shè)想觀測(cè)者在封閉電梯里得不到任何外界消息，看到物體自由下落，下落加速度a與物質(zhì)組成無關(guān)，無法判斷：1.電梯在引力場(chǎng)中自由下落2.電梯在無引力場(chǎng)的外太空中作慣性運(yùn)動(dòng)當(dāng)觀測(cè)者感到自己和電梯內(nèi)一切物體都處于失重狀態(tài)時(shí)，同樣無法判斷等效原理導(dǎo)致無