湖北省丹江口市高中物理第十五章相對論簡介1相對論的誕生課件新人教版選修3-4.ppt

第十五章相對論簡介 15 1相對論的誕生 牛頓的經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)就是以牛頓命名的三條定律 這一理論形成于十七世紀(jì) 在以后的兩個(gè)多世紀(jì)里 牛頓力學(xué)對科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展起了巨大的推動(dòng)作用 同時(shí)自身也得到了很大發(fā)展 但是 進(jìn)入二十世紀(jì) 物理學(xué)研究的領(lǐng)域開始深入到了微觀高速領(lǐng)域 這時(shí)人們發(fā)現(xiàn)牛頓力學(xué)在這些領(lǐng)域不再適用 物理學(xué)的發(fā)展要求對牛頓力學(xué)以及某些長期認(rèn)為是不言自明的基本觀念作出根本性的變革 物理學(xué)需要一場革命 二十世紀(jì)初誕生的相對論和量子力學(xué)就是這場從經(jīng)典物理向近代物理變革的標(biāo)志 20世紀(jì)最偉大的科學(xué)家 愛因斯坦 一 經(jīng)典的相對性原理 1 慣性系 牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參考系相對于一個(gè)慣性參考系做勻速直線運(yùn)動(dòng)的另一個(gè)參考系也是慣性系2 伽利略相對性原理力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的還可表述為 在一個(gè)慣性參考系內(nèi)進(jìn)行的任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都不能判斷這個(gè)慣性系是否相對于另一個(gè)慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng) 或者說 任何慣性系都是平權(quán)的 牛頓的伽利略相對性原理是作為基本假設(shè)提出來的 它之所以為人們接受承認(rèn) 一方面是牛頓力學(xué)在解決力學(xué)問題獲得的巨大功 另一方面觀察結(jié)果與人們的經(jīng)驗(yàn)相符 但是十九世紀(jì)中葉 人們在研究與物體運(yùn)動(dòng)有關(guān)的電磁現(xiàn)象時(shí) 發(fā)現(xiàn)在電磁現(xiàn)象的規(guī)律不符合相對性原理 其中最典型的就是光速的問題 不同的參考系中觀察物體的運(yùn)動(dòng)情況可能不同 物體在空間移動(dòng)這一概念也是相對的 在不同參考系中觀察物體的運(yùn)動(dòng)情況 光速恒定的特性 同運(yùn)動(dòng)的相對性原理之間似乎產(chǎn)生了矛盾 但是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明 不論光源和觀察者做怎樣的相對運(yùn)動(dòng) 光速都是恒定的 v 光速 光速 這一結(jié)論還特別為后來的很多精確的實(shí)驗(yàn)所證實(shí) 最著名的是1887年邁克爾遜和莫雷所做的實(shí)驗(yàn) 它們都明確無誤地證明光速的測量結(jié)果與光源和測量者的相對運(yùn)動(dòng)無關(guān) 亦即與參照系無關(guān) 可見光和電磁波的運(yùn)動(dòng)不服從伽利略相對原理 任何參照系中測得的光在真空的速率都應(yīng)該是這一數(shù)值 當(dāng)時(shí)人們?yōu)榱私鉀Q這個(gè)困難 提出了三種可能 1 麥克斯韋電磁理論有錯(cuò) 正確的電磁方程組應(yīng)滿足伽利略不變性 2 牛頓力學(xué)與麥克斯韋電磁理論都對 但麥克斯韋電磁理論只在某一特殊的慣性系成立 3 牛頓力學(xué)與伽利略變換不對 應(yīng)存在某種變換 麥克斯韋電磁理論在這種新的變換下具有不變性 這意味著經(jīng)典牛頓力學(xué)要作修改 修改后的力學(xué)方程在新的變換下具有不變性 二 相對性原理與電磁規(guī)律 19世紀(jì)后半葉和20世紀(jì)初 物理學(xué)家們曾經(jīng)猜想 有一種叫做以太的介質(zhì) 彌漫在宇宙中 它是電磁波傳播時(shí)所需要的介質(zhì) 拿以太做參考系時(shí)麥克斯韋的電磁理論才成立 今天看來 以太是某一特殊參考系的代表 麥克爾遜實(shí)驗(yàn)表明不存在這樣的特殊參考系 實(shí)際上就是宣布宇宙間不存在以太 麥克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn) 上述的矛盾使物理學(xué)家面臨兩個(gè)選擇 一是修正現(xiàn)有的理論 去迎合實(shí)驗(yàn)結(jié)果 這相對比較容易 但常常無效 另一種主張徹底擺脫 麥克斯韋電磁理論只適用于某一特殊的慣性系 創(chuàng)立全新的理論 愛因斯坦 龐加萊等人選擇了后者 并提出了兩個(gè)假設(shè) 三 狹義相對論的兩個(gè)基本假設(shè) 1 狹義相對性原理在不同的慣性參考系 一切物理規(guī)律都是相同的2 光速不變原理真空中的光速在不同的慣性參考系中是相同的 光速與光源 觀察者間的相對運(yùn)動(dòng)沒有關(guān)系 就是在看來如此簡單且最一般的兩個(gè)假設(shè)的基礎(chǔ)上愛因斯坦建立了一套完整的理論 狹義相對論 對兩個(gè)基本原理的正確理解 自然規(guī)律不僅包括力學(xué)規(guī)律 還包括電磁學(xué)規(guī)律等其他所有的物理學(xué)規(guī)律 強(qiáng)調(diào)真空中的光速不變指大小既不依賴于光源或觀察者的運(yùn)動(dòng) 也不依賴于光的傳播方向 幾十年來科學(xué)家采用各種先進(jìn)的物理技術(shù)測量光速 結(jié)果都不違背光速不變原理 小結(jié) 一 伽利略相對性原理力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的二 相對性原理與電磁規(guī)律發(fā)生矛盾三 狹義相對論的兩個(gè)基本假設(shè)1 狹義相對性原理在不同的慣性參考系 一切物理規(guī)律都是相同的2 光速不變原理真空中的光速在不同的慣性參考系中是相同的 光速與光源 觀察者間的相對運(yùn)動(dòng)沒有關(guān)系 相對論的時(shí)空觀念與人們固有的時(shí)空觀念差別很大 很難被普通人所理解 人們都稱贊愛因斯坦偉大 但又常常弄不懂這偉大的內(nèi)容 這使人們想起