第1节 牛顿眼中的世界上课课件2011.04.ppt

1、牛顿眼中的世界,仙游私立一中：严进华,1 历史背景及重要实验基础,两朵乌云：, 近代物理不是经典理论的补充，而是全新的理论。, 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,O,X,K,O,(X),K,P,(x, y, z),

2、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,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承认，一方面是牛顿力学在解决力学问题获得的巨大成功；另一方面观察结果与人们的经验相符。,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，发现在电磁现象的规律不符合相对性原理,其中最典型的就是光速的问题,光速恒定的特性，同运动的

3、相对性原理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波的速度是一个定值,v,光速,光速,当时人们为了解决这个困难，提出了三种可能： （1）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。 （2）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。 （3）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有不变性。这意味着经典牛顿力学要作修改，修改后的力学方程在新的变换下具有不变性。,二、相对性原理与电磁规律,19世纪后半叶和20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，它是电磁波传播时所需要的介质，

4、拿以太做参考系时麦克斯韦的电磁理论才成立今天看来，以太是某一特殊参考系的代表,麦克尔逊莫雷实验,二 迈克耳逊 莫雷实验,对光线（1） ：,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：,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,四 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.,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

5、，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：,三、狭义相对论的两个基本假设,1、狭义相对性原理 在不同的惯性参考系，一切物理规律都是相同的 2、光速不变原理 真空中的光速在不同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关系。,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狭义相对论,对两个基

6、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或观察者的运动，也不依赖于光的传播方向 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。,小 结,一、伽利略相对性原理 力学规律在任何惯性系中都是相同的 二、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 1、狭义相对性原理 在不同的惯性参考系，一切物理规律都是相同的 2、光速不变原理 真空中的光速在不同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关系。,相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难被普通人所理解。

7、人们都称赞爱因斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟大的内容。这使人们想起英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句:,自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中， 上帝说：“让牛顿去吧，” 于是一切都成为光明。 后人续写道: 上帝说完多少年之后， 魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，” 于是一切又回到黑暗中。,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

8、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。,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

9、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。,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：,洛仑兹在此基础上建立了一套惯性系间的变换关系，可证明麦克斯韦方程在此变换下不变。但他没有突破经典时空观，没有建立相对论，并对自己结果持怀疑态度。长度为什么会收缩，长度定义是什么，变换中时间的意义是什么？,因此,4、收缩假定（1892年洛仑兹斐兹杰惹）,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