《牛顿眼中的世界》参考课件1

牛顿眼中的世界选修3-4§1历史背景及重要实验基础牛顿力学麦克斯韦电磁场理论热力学与经典统计理论•19世纪后期，经典物理学的三大理论体系使经典物理学已趋于成熟。两朵乌云：•迈克耳逊——莫雷“以太漂移”实验；•

黑体辐射实验。•近代物理不是经典理论的补充，而是全新的理论。狭义相对论量子力学•近代物理学的两大支柱，逐步建立了新的物理理论。•近代物理不是对经典理论的简单否定；一、经典的相对性原理1、惯性系：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一个参考系也是惯性系2、伽利略相对性原理

力学规律在任何惯性系中都是相同的还可表述为：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。——

在两个惯性系中分析描述同一物理事件(event)3.伽利略变换OXKO'(X')K'vP(x,y,z)观察者A在惯性系K中，观察者B在惯性系K′中。K′以速度v相对于K运动，一小球在惯性系K′中的速度为u′,则：小球相对于惯性系K的速度为？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：经典力学的伽利略变换，也是力学相对性原理的数学表达式经典力学总结了低速物体的运动规律，它反映了牛顿的绝对时空观。绝对时空观认为时间和空间是两个相对时空观独立的观念，彼此之间没有联系，分别具有绝对性。绝对时空观认为时间与空间的度量与惯性参照系的运动状态无关，同一物体在不同惯性参照系中观察到的运动学量（如坐标、速度）可通过伽利略变换而互相联系。这就是力学相对性原理：一切力学规律在伽利略变换下是不变的。二、绝对时空观据伽利略变换，可得到经典时空观（1）同时的绝对性在同一参照系中，两个事件同时发生据伽利略变换，在另一参照系中，在其他惯性系中，两个事件也一定同时发生。同时的绝对性。（2）时间间隔的测量是绝对的在同一参照系中，两个事件先后发生，其间隔为在其他惯性系中，两个事件的时间间隔不变。时间间隔的绝对性。据伽利略变换，在另一参照系中，（3）长度测量的绝对性

当杆的方向沿轴方向时，长度是杆的两端的坐标差，但必须同时测量。静止系中可不同时测运动系中同时测运动系中不同时测静止系中，杆的长度为运动系中，杆的长度为据伽利略变换长度测量是绝对的。

是否可以借助于光学实验的手段来发现相对于以太的运动呢？1、绝对静止参照系以太三、寻找“以太”—迈克尔孙实验

经典电磁理论认为光是在一种称为以太的介质中传播的。

把以太选作为绝对静止的参照系。相对于以太的运动称作为绝对运动。

根据力学相对性原理，任何惯性系都是等价的，无法借助于力学实验的手段来确定惯性系自身的运动状态。2.迈克耳逊——

莫雷实验

假定相对性原理不成立，麦克斯韦方程的形式仅在以太中成立。因此在地球上可以设计实验来验证地球相对“以太”的速度。反过来可以通过实验寻找“以太”静止的绝对参考系。假定在“以太”中光速各项同性且恒等于c，而在其它参考系光速各项异性。假定太阳与以太固连，地球相对于以太的速度就应当是地球绕太阳的运动速度。对光线（1）：地球系以太风以太1801年，托马斯·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。亚里士多德认为，以太只存在于“月上世界”，19世纪的学者们则进一步认为：以太是绝对静止的参考系，以太充满全宇宙。他们认为波是振动在介质中的传播速度，光速是“以太”介质振动的传播速度，光能从遥远的星体传播到地球，表明以太不仅透明而且弹性极好。

2.迈克耳逊——

莫雷实验对光线（2）设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：光程差的差别为：光程差的差别与条纹移动的关系为：当仪器转动时，引起干涉条纹的移动：迈克耳逊——莫雷实验的零结果，说明了“以太”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。1881年迈克耳逊第一次实验，预期1887年迈克耳逊和莫雷改进实验，预期实验结果迈克耳逊干涉仪精度可观测到0.01个条纹的移动。1907年迈克耳逊因创制精密光学仪器而获得诺贝尔物理学奖可见光和电磁波的运动不服从伽利略相对原理.

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，要么否定特殊参考系的存在.爱因斯坦选择了后者.他认为，既然在不同的惯性系中力学规律都一样，我们会很自然地想到，电磁规律在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（例如地球参考系、太阳参考系，或者所谓的以太……）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，成为他的第一个假设：1、地球相对以太静止论

地球为绝对参照系，光速在地球上恒为c且各向同性。这样显然光程差的差别为零，在地球上实验条纹不移动。但此解释必然得出地球是宇宙中心的结论，同时太阳光在地球周围各向同性，但太阳相对地球运动，仍不符合经典速度合成。

恒星光行差现象（1727年发现）：观察恒星光线的视方向与“真实”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度与光速合成的方向。理论计算：对太阳光的实验观测：2、拖拽理论

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现象矛盾。

静止光源光速为c，运动光源光速改变，且各向同性。这样在地球上用静止光源做实验，条纹当然不移动。麦氏方程在地球上精确成立，但在以太中形式不同。仍认为以太存在，这样阳光在地球上不为c。3、发射理论

这一说法与双星实验相矛盾。若光速与光源运动有关，则B星在1处光速相对地球为c+v，当B星运动到2处光速相对地球为c-v。则在同一时刻观看B星不应是一亮点。因为光速不等，所以B星在不同时刻发出的光可在同一时刻到达地球，所拍摄照片应是一条很短的亮线。但实验结果均为亮点，说明光速与光源运动无关。1924年用日光做迈氏实验，条纹仍然无移动，证明双星实验正确。地球12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OM1O时间：