物理实验的智慧光芒 课件 头脑里的飓风-思想实验

头脑里的飓风-思想实验第一节.牛顿抛体实验（1666年）第二节.牛顿的水桶实验（1687年）第三节.奥伯斯佯谬（1826年）第四节.爱因斯坦追光实验（1895年）第五节.孪生子佯谬（1911年）第六节.爱因斯坦电梯实验（1907年）头脑里的飓风-思想实验第一节牛顿抛体实验艾萨克·牛顿（IssacNewton，1643－1727）英国物理学家、天文学家和数学家，经典物理学的奠基人。牛顿在不朽巨著《自然哲学的数学原理》中总结了前人和自己关于力学以及微积分学方面的研究成果，其中含有三条牛顿运动定律和万有引力定律，以及质量、动量、力和加速度等概念，为经典力学的大厦构建坚实的基础。平抛苹果落地的时间与初始速度无关高速度平抛时间计算图示因为重力，不做水平直线运动，而是抛物线下落速度越大，落点越远速度足够大，抛体绕地旋转，如同月亮苹果落地与月亮绕地球，力是统一的伟大意义：1.把天上的力学和地上的力学统一起来，实现了物理学发展史上第一次大综合。2.建立万有引力定律的基础。3.奠定了现代航空航天事业的基础。第二节牛顿的水桶实验（1）开始时，桶旋转得很快，但水几乎静止不动。在粘滞力经过足够的时间使它旋转起来之前，水面是平的，完全与水桶转动前一样。（2）水和桶一起旋转，水面变成凹状的抛物面。（3）突然使桶停止旋转，但桶内的水还在转动，水面仍然保持凹状的抛物面。结论空间是绝对的。牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中说过：绝对空间，就其本性而言，与外界事物无关，永远是相同的和不动的。物理学家马赫在马赫看来：物体的运动都不是相对于绝对空间，而是相对于别的物体而言的，相对于绝对空间的绝对运动是不存在的。离开了物体之间的相互关系，说物体的运动是毫无意义的。马赫还认为：所有一切都是相对的，所有的质量，所有的速度，所有的力都是相对的。所以他认为牛顿转动的水桶是相对于其它天体的相对运动，“水面沿桶壁的升高是离心力的作用的结果，也可以看作相对惯性力的作用，而这个惯性力是无数遥远天体对水面的引力的作用，所以惯性力本质上就是引力。”马赫认为：不存在以太和绝对空间，一切运动都是相对的。狭义相对论创立马赫认为：惯性效应起源于物质间相对加速产生的相互作用惯性力可能与万有引力有相同或相似的起源，都起源于物质间的相互作用，创立广义相对论。马赫原理第三节奥伯斯佯谬奥伯斯(HeinrichWilhelmMatthäusOlbers，1758—1840)，德国天文学家、医生及物理学家。在1802年，奥伯斯发现并命名了智神星，5年后，再发现灶神星，这次他让高斯来命名此小行星。在1815年3月6日，他又发现了一颗周期彗星13P/Olbers（奥伯斯彗星）。奥伯斯佯谬示意图整个无限宇宙中有无限多重球壳，对O点产生的总照度为

天空为什么是黑暗的呢？这个思想实验涉及四大命题：宇宙是无限的。宇宙中到处都有大致分布均匀的恒星，恒星的总数是无限的。宇宙是静止的，没有变化。宇宙存在的时间是无限长的。这四个命题导致奥伯斯佯谬的产生，至少要推翻一个命题，才能解决矛盾，摆脱佯谬。1917年爱因斯坦以引力场方程为依据，提出一个有限无界静止宇宙模型推翻了奥伯斯佯谬的第一个命题后续研究发现，宇宙还是膨胀的伽莫夫提出的宇宙创生理论，大爆炸模型，宇宙大约开始于137亿年前，推翻了第四个假设推翻了第三个命题第四节爱因斯坦追光实验爱因斯坦（AlbertEinstein，1879—1955），出生于德国乌尔姆市的一个犹太人家庭（父母均为犹太人）。1900年毕业于瑞士苏黎世联邦理工学院，入瑞士国籍。1905年，爱因斯坦获苏黎世大学物理学博士学位，并提出光子假设、成功解释了光电效应（因此获得1921年诺贝尔物理学奖）；同年创立狭义相对论；1915年创立广义相对论。1933年移居美国、在普林斯顿高等研究院任职，1940年加入美国国籍同时保留瑞士国籍。1999年12月，爱因斯坦被美国《时代周刊》评选为20世纪的“世纪伟人”。爱因斯坦在16岁时问的一个简单问题：如果你能赶上一束光的话，它看起来会像什么样子呢？这个问题思考了10年追光实验牛顿是在那个时代一位具有最高思维能力和创造力的人麦克斯韦是继牛顿之后最伟大的物理学家两个爱因斯坦认为最伟大的物理学家的理论，在遇到光时出现了矛盾。光波将在空间冻结冻结不传播的电磁场不存在以太不存在光速不变原理狭义相对论建立相对性时空观，建立起四维时空同时性的相对性、时间量度的相对性、空间量度的相对性相对论质量，相对论动力学质量的相对性、质能关系爱因斯坦论动体的电动力学1905年爱因斯坦发表《论动体的电动力学》第五节孪生子佯谬《论动体的电动力学》时间量度的相对性——钟慢效应固有时间:在某惯性系中,同一地点先后发生的两个事件之间的时间间隔。固有时间最短一个运动时钟的“1秒”比一系列静止时钟的“1秒”长，这称为运动时钟的“时间膨胀”或“时间延缓”。这意味着：运动的钟C

变慢了——钟慢效应。物体运动速度越大，所观察到的它的内部物理过程进行的越缓慢这种效应是时空的基本属性引起的，与钟的具体结构无关，不是哪一个钟不准确时间的本质属性，宇宙中没有一个单一的“真实时间”，并没有“普适时间”，只有小明的时间、小红的时间，和其他一切可能的被某个观察者观察到的时间1911年，法国物理学家郎之万（a）双生子告别；（b）哥哥乘坐飞船星际旅行，弟弟留守地球；（c）几十年后飞船归来；（d）兄弟相见，哥哥依然年轻，弟弟已然白发老人孪生子佯谬对于飞船上的哥哥来说，地球上的弟弟在运动，时间变慢，更加年轻到底谁年轻？孪生子佯谬的世界线图中的A线就是双胞胎中留在地球的兄弟的世界线。对于星际旅行者来说，他的飞船先加速，接近外星球时减速，降落，然后再启动返回地球，先加速，接近地球时减速，降落，预留在地球上的同胞兄弟相会，他的世界线是图中的B线。双胞胎兄弟的世界线不一样长，两人经历了不同的时间。这两根线的长度显然不一样，谁的世界线更长，谁就更老。在欧几里得空间中，两点之间直线最长，曲线反而比直线要短了出去旅行的人年轻，而地球上的人老。第六节爱因斯坦电梯实验有一天，突破口突然找到了。当时我正坐在伯尔尼专利局办公室里，脑子里忽然闪现一个念头，如果一个人正在自由下落，他绝不会感觉到自己有重量。我吃了一惊，这个简单的思想实验给我的印象太深了。他把我引向了引力理论。。。。。。伯尔尼专利局时期的爱因斯坦爱因斯坦电梯思想实验1.电梯静止在一个引力场强为a的星球表面2.电梯在无引力场的外太空以加速度a运动设想观测者在封闭电梯里得不到任何外界消息，看到物体自由下落，下落加速度a与物质组成无关，无法判断：1.电梯在引力场中自由下落2.电梯在无引力场的外太空中作惯性运动当观测者感到自己和电梯内一切物体都处于失重状态时，同样无法判断等效原理导致无