第1节-牛顿眼中的世界上课2011.04PPT优秀课件

1、1选修3-4仙游私立一中：严进华仙游私立一中：严进华21 1 历史背景及重要实验基础历史背景及重要实验基础 19 19世纪后期，经典物理世纪后期，经典物理学的三大理论体系使经典学的三大理论体系使经典物理学已趋于成熟。物理学已趋于成熟。两朵乌云：两朵乌云： 黑体辐射实验。黑体辐射实验。 近代物理学的两近代物理学的两大支柱，逐步建立大支柱，逐步建立了新的物理理论。了新的物理理论。3一、经典的相对性原理1 1、惯性系：、惯性系： 牛顿运动定律成立的参考系牛顿运动定律成立的参考系 相对于一个惯性参考系做匀速直线运动的另相对于一个惯性参考系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系一个参考系也是惯性系2 2

2、、伽利略相对性原理、伽利略相对性原理 力学规律力学规律在任何在任何惯性系惯性系中都是相同的中都是相同的 还可表述为：在一个惯性参考系内进行的任还可表述为：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动；或者说，任何另一个惯性系做匀速直线运动；或者说，任何惯性系都是平权的。惯性系都是平权的。4 在两个惯性系中分析描述同一物理事件在两个惯性系中分析描述同一物理事件(event)3.3.伽利略变换伽利略变换OXKO(X)KvP(x, y, z)rr观察者观察者A在惯性系在惯性系K中，观察中，观察者者B在惯性系在惯性

3、系K中。中。 K以速度以速度v相对于相对于K运动，一小球在惯运动，一小球在惯性系性系K中的速度为中的速度为u,则：则：小球相对于惯性系K的速度为？u v u 5当小球运动到空间某点P是，观察者A测得小球的时间和空间坐标分别是t和x，观察者B测得的时间和空间为t和x，有：vtxxtt经典力学的伽利略经典力学的伽利略变换，也是力学相变换，也是力学相对性原理的数学表对性原理的数学表达式达式6 牛顿的伽利略相对性原理是作为基牛顿的伽利略相对性原理是作为基本假设提出来的，它之所以为人们接受本假设提出来的，它之所以为人们接受承认，一方面是牛顿力学在解决力学问承认，一方面是牛顿力学在解决力学问题获得的巨大成

4、功；另一方面观察结果题获得的巨大成功；另一方面观察结果与人们的经验相符。与人们的经验相符。 但是十九世纪中叶，人们在研究但是十九世纪中叶，人们在研究与物体运动有关的电磁现象时，发现与物体运动有关的电磁现象时，发现在在电磁现象的规律不符合相对性原理电磁现象的规律不符合相对性原理 其中最典型的就是其中最典型的就是光速光速的问题的问题7 光速恒定的特性，同运动的相对性原理光速恒定的特性，同运动的相对性原理之间似乎产生了矛盾？之间似乎产生了矛盾？麦克斯韦预言了光的电磁本质以及电磁麦克斯韦预言了光的电磁本质以及电磁波的速度是一个定值波的速度是一个定值v v光速光速 c光速光速vc8 当时人们为了解决这个

5、困难，提出了三种可当时人们为了解决这个困难，提出了三种可能：能：（1 1）麦克斯韦电磁理论有错，正确的电磁方程）麦克斯韦电磁理论有错，正确的电磁方程组应满足伽利略不变性。组应满足伽利略不变性。（2 2）牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对，但麦）牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对，但麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立。克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立。（3 3）牛顿力学与伽利略变换不对，应存在某种）牛顿力学与伽利略变换不对，应存在某种变换，麦克斯韦电磁理论在这种新的变换下具变换，麦克斯韦电磁理论在这种新的变换下具有不变性。这意味着经典牛顿力学要作修改，有不变性。这意味着经典牛顿力学要作修改，

6、修改后的力学方程在新的变换下具有不变性。修改后的力学方程在新的变换下具有不变性。9二、相对性原理与电磁规律 1919世纪后半叶和世纪后半叶和2020世纪初，物理学家们曾经世纪初，物理学家们曾经猜想，有一种叫做以太的介质，弥漫在宇宙中，猜想，有一种叫做以太的介质，弥漫在宇宙中，它是电磁波传播时所需要的介质，拿以太做参考它是电磁波传播时所需要的介质，拿以太做参考系时麦克斯韦的电磁理论才成立今天看来，系时麦克斯韦的电磁理论才成立今天看来，以以太是某一特殊参考系的代表太是某一特殊参考系的代表麦 克 尔 逊麦 克 尔 逊莫 雷 实 验莫 雷 实 验10二 迈克耳逊 莫雷实验P1M2M2l1lvO111l

7、ltc v c v122211/lcvc对光线（对光线（1） ：OMO1地球系地球系u112M2vt对光线（对光线（2）OMO22222222222211/llltuccvvc设设lll212122l vtttc c 212vc tlc 211122222111/llvtccvcc由于物体运动速度远小于光速，则做小量处理有：由于物体运动速度远小于光速，则做小量处理有：同样做小量处理有：同样做小量处理有：2222222221121/llvtcccvc12)(cv21222vlc光程差的差别为：光程差的差别为：N光程差的差别与条纹移动的关系为：光程差的差别与条纹移动的关系为：当仪器转动当仪器转动

8、时，时， 2/2122l vtttc c 222vc tlc 222l vNc13迈克耳逊迈克耳逊莫雷实验的零结果，说明了莫雷实验的零结果，说明了“以太以太”本身不存在。本身不存在。该实验被认为是狭义相对论的主要实验支柱之一。该实验被认为是狭义相对论的主要实验支柱之一。18811881年迈克耳逊第一次实年迈克耳逊第一次实验，预期验，预期04.0N18871887年迈克耳逊和莫雷改年迈克耳逊和莫雷改进实验，预期进实验，预期4 .0N实验结果实验结果0N迈克耳逊干涉仪精度可观测到迈克耳逊干涉仪精度可观测到0.010.01个条纹的移动。个条纹的移动。19071907年迈克耳逊因创制精密光学仪器而获得

9、诺贝尔物理学奖年迈克耳逊因创制精密光学仪器而获得诺贝尔物理学奖四四 对实验结果的几种解释对实验结果的几种解释 可见光和电磁波的运动不服从伽利略相对原理可见光和电磁波的运动不服从伽利略相对原理.14 光速是不变的使我物理学家面临一个困难的选择：光速是不变的使我物理学家面临一个困难的选择：要么放弃麦克斯韦的电磁理论，要么否定特殊参要么放弃麦克斯韦的电磁理论，要么否定特殊参考系的存在考系的存在.爱因斯坦选择了后者爱因斯坦选择了后者.他认为，既然他认为，既然在不同的惯性系中力学规律都一样，我们会很自在不同的惯性系中力学规律都一样，我们会很自然地想到，电磁规律在不同的惯性系中也是一样然地想到，电磁规律在

10、不同的惯性系中也是一样的，也就是说，并不存在某一个特殊参考系（例的，也就是说，并不存在某一个特殊参考系（例如地球参考系、太阳参考系，或者所谓的以如地球参考系、太阳参考系，或者所谓的以太太）爱因斯坦把伽利略的相对性原理推广到）爱因斯坦把伽利略的相对性原理推广到电磁规律和一切其他物理规律，成为他的第一个电磁规律和一切其他物理规律，成为他的第一个假设：假设：15三、狭义相对论的两个基本假设1 1、狭义相对性原理、狭义相对性原理 在不同的惯性参考系，一切物理规律都是在不同的惯性参考系，一切物理规律都是相同的相同的2 2、光速不变原理、光速不变原理 真空中的光速在不同的惯性参考系中是相真空中的光速在不同

11、的惯性参考系中是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。关系。 就是在看来如此简单且最一般的两个假设的就是在看来如此简单且最一般的两个假设的基础上爱因斯坦建立了一套完整的理论基础上爱因斯坦建立了一套完整的理论狭狭义相对论义相对论16对两个基本原理的正确理解自然规律不仅包括力学规律，还包括电磁学规自然规律不仅包括力学规律，还包括电磁学规律等其他所有的物理学规律；律等其他所有的物理学规律；强调真空中的光速不变指大小既不依赖于光源强调真空中的光速不变指大小既不依赖于光源或观察者的运动，也不依赖于光的传播方向或观察者的运动，也不依赖于光的传播方向 几十年

12、来科学家采用各种先进的物理技术测量几十年来科学家采用各种先进的物理技术测量光速，结果都不违背光速不变原理。光速，结果都不违背光速不变原理。17小 结一、伽利略相对性原理伽利略相对性原理 力学规律力学规律在任何在任何惯性系惯性系中都是相同的中都是相同的二、相对性原理与电磁规律发生矛盾相对性原理与电磁规律发生矛盾三、狭义相对论的两个基本假设三、狭义相对论的两个基本假设 1 1、狭义相对性原理、狭义相对性原理 在不同的在不同的惯性参考系惯性参考系，一切物理规律一切物理规律都是相都是相同的同的 2 2、光速不变原理、光速不变原理 真空中的光速真空中的光速在不同的惯性参考系中是在不同的惯性参考系中是相同

13、相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。系。18 191 1、地球相对以太静止论、地球相对以太静止论 20 恒星光行差现象（恒星光行差现象（17271727年发现）：年发现）： 观察恒星光线的视方向与观察恒星光线的视方向与“真实真实”方向之间有一夹角，方向之间有一夹角，这说明若以太存在，将不能被地球拖动。若被拖动则地球上这说明若以太存在，将不能被地球拖动。若被拖动则地球上将看不到光行差现象。地球上观察天体的方向，应是地球相将看不到光行差现象。地球上观察天体的方向，应是地球相对恒星的运动速对恒星的运动速度度与光速合成的方向。与光速合成的方向。 cv

14、vcvtg1理论计算：理论计算：对太阳光的实验观测：对太阳光的实验观测：0 00573. 041smv/100 .34 地球不是绝对参照系。但由于以太很轻，地球在以地球不是绝对参照系。但由于以太很轻，地球在以太中运动可以拖动以太一起运动。但这种说法与光行差太中运动可以拖动以太一起运动。但这种说法与光行差现象矛盾。现象矛盾。21 vc vvc vAB地球地球1222假定认为沿相对以太运动方向上物体长度收缩为假定认为沿相对以太运动方向上物体长度收缩为则在地球上观测，光沿则在地球上观测，光沿OM1O时间：时间：221lvc22221111221121lvclvcl ctcvcvvc沿沿OM2O无收缩无收缩：222221lctvc2112221llcvc210因此因此2112222222,11lcl cttvcvc1222221llcvc同理：同理：23以太以太l1801年，托马斯年，托马斯杨的双缝干涉实验表明，光杨的双缝干涉实验表明，光是一种波动，我们知道水波的载体是水，声波是一种波动，我们知道水波的载体是水，声波的载体是空气。那么光既然是波，应该有一种的载体是空气。那么光既然是波，应该有一种载体。人们想起了亚里士多德的以太理论。亚载体。人们想起了亚里士多德的以太理论。亚里士多德认为，以太只