高二物理竞赛迈克尔孙莫雷实验课件

19世纪末电磁学有了很大发展，1865年，麦克斯韦总结出电磁场方程组；预言了电磁波的存在，指出真空中沿各个方向的速率均为c。1889年赫兹在实验上证实了电磁波的存在。

§15-2

迈克尔孙—

莫雷实验一、历史背景

但是，在伽利略速度变换中，光速在一个参考系中若是c，在另一参考系中必不是c。电磁理论和伽利略变换相矛盾。电磁场方程组在哪个参考系成立呢?

按伽利略变换，电磁波相对于其他参考系(如地球)速率就不会各向均匀，而和此参考系相对于“以太”的速度有关。

为不和伽利略变换矛盾,人们假设:宇宙中充满了叫“以太”的物质,电磁波靠“以太”传播.

把以太选作绝对静止参考系；电磁场方程组只在“以太”参考系成立。电磁波在“以太”参考系中速率各向为c。

如果这个绝对静止的参考系是存在的,力学、电学、磁学等等一切物理规律都可以纳入牛顿力学的框架,牛顿力学的时空观就永保统治地位,不可动摇.

19世纪末，很多精确的实验和观察都企图在地球参考系中测到光速大于c或小于c的结果。其中最著名的是迈克尔孙—莫雷实验。

猜测以太的性质：刚性赛过宝石，而其粘滞性必须为零，物质在它里面运行，没有摩擦，比在水中更流畅；它不受星球吸力作用，也不对行星轨道施加任何影响等等.

为了测量地球相对于“以太”的运动,1881年,迈克尔孙用他自制的干涉仪进行测量,没有结果.1887年,他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验,仍得到零结果.G

M2M2

G（从系看）设“以太”参考系为S系，实验室为系GM1M2T在任何参考系中，光在真空中的速率均为ｃ。

迈克尔孙—

莫雷实验最初的目的是为了证实以太的存在,不幸的是却以否定的结论证实了以太是不存在的。零结果:未观测到地球相对于“以太”的运动速度.G

M1

G时间G

M2

G时间设“以太”参考系为S系，实验室为系GM1M2TM2M1GT

将整个干涉仪绕中心旋转90度,两束相干光的相位差为-Δ，旋转前后的相位差变化了2Δ由于旋转导致条纹移动数目为

人们为维护“以太”观念作了种种努力，提出了各种理论，但这些理论或与天文观察，或与其它的实验相矛盾，最后均以失败告终.仪器可测量精度

实验结果实验中所用的数据为代入上式计算得实验未观察到地球相对于“以太”的运动.是否为仪器精度造成？1）电磁场方程组不服从伽利略变换。2）在一个惯性系内采用光学实验无法确定该惯性系相对于其他惯性系的运动，即电磁现象服从相对性原理。问题：电磁场方程组不服从伽利略变换电磁现象服从相对性原理矛盾迈克耳孙——莫雷零结果的意义§15-3狭义相对论的基本假设迈克尔孙—

莫雷实验零结果给人们提出了问题：(1)如果认为伽利略变换正确,那么电磁规律不符合相对性原理?(2)如果假定电磁规律符合相对性原理,那么伽利略变换则应该修正?爱因斯坦深入分析了此问题，于1905年发表了《论动体的电动力学》作出了对整个物理学都有变革意义的回答。AlbertEinstein——20世纪最伟大的物理学家1905年创建狭义相对论，提出了光量子假设.1915年创立广义相对论,1921年获得诺贝尔物理学奖.一、狭义相对论的基本原理1.相对性原理在所有惯性系中物理规律都是一样的.爱因斯坦提出两条基本假设：意义：1）是力学的相对性原理的推广.4）抛弃以太，否定了绝对静止参照系的存在.5）任何物理实验都不能确定本参考系的速度.2）一切物理规律(力、热、光、电、…)对任何惯性系都有相同的形式。3）一切惯性系都是等价(平权)的。在所有惯性系测量真空中的光速都是c.狭义相对论抛弃了伽里略变换，抛弃了绝对时空观。2.光速不变原理意义：1）光速不满足伽俐略速度变换式,与伽利略的速度变换针锋相对.3)光速与光源和观察者的运动状态无关，与传播方向无关，与频率无关。2）光速恒定，所以迈克尔孙-莫雷实验中条纹不会移动。二洛伦兹变换式在两个惯性系中对同一事件的描述形式不同，之间存在一个变换关系——变换式.变换式与相应的相对性原理相对应。牛顿力学的相对性原理对应伽利略变换；与狭义相对性原理相对应的变换是洛仑兹变换。洛仑兹变换变换关系应该满足两个条件：1）狭义相对论两条基本假设.2)当质点速率远小于真空中的光速时，新的变换关系应该能回归到伽俐略变换.设两惯性系s和s′，

s′以恒速u相对于s运动，两惯性系的O和O′

重合时刻t=t´=0,从O点发一闪光经一段时间光传到p点两个参考系中相应的坐标值之间的关系寻找*ps系中s´系中(1)由光速不变原理：(2)只有x方向发生相对运动推导两组坐标关系时考虑到*p根据上述四式利用比较系数法，将4个系数确定，即可得到洛仑兹坐标变换式。(3)空间均匀各向同性,要求与的变换应满足线性关系洛仑兹变换坐标变换式正变换正变换令逆变换1)在相对论中，时、空密切联系在一起(在x的式子中含有t，t式中含x)。讨论2)当u<<c时，洛仑兹变换

伽利略变换。3)若u

c,