高中物理 15.1《相對論的誕生》課件 新人教版選修3-4.ppt

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第十五章 相對論簡介,15.1 相對論的誕生,一、問題的提出,如果有人對你說：“你頭腦中的一些概念是不科學(xué)的．”你相信嗎？,一、問題的提出,人們頭腦中的概念從科學(xué)性來講，可以分為兩類：第一類是科學(xué)的：第二類是經(jīng)驗的，但不是科學(xué)的．,一、問題的提出,請問： 1、標(biāo)準(zhǔn)尺的長度靜止時和運動時的長度是一樣嗎？ 2標(biāo)準(zhǔn)鐘的快慢運動時和靜止時是一樣嗎？在高山頂和山谷是一樣嗎？,二、幾個經(jīng)典概念和規(guī)律,1、空間：人們通常所說的空間量，不外乎線的長度、平面物曲面的面積、形體的體積等等．它們都可以用標(biāo)準(zhǔn)尺來量度．,二、幾個經(jīng)典概念和規(guī)律,2、時間：通常，時間不外乎兩個事件的時間間隔、一個事件比另一個事件發(fā)生得早些或晚些、兩個事件同時發(fā)生等等．原則上時間都可以用標(biāo)準(zhǔn)鐘來量度．,二、幾個經(jīng)典概念和規(guī)律,3牛頓在他所著的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中寫道： 絕對的空間，本質(zhì)上是與外界無關(guān)的，是同一的和靜止的． 絕對的時間，本質(zhì)上是一種與外界物體無關(guān)的均勻流動． 這就是牛頓力學(xué)中的絕對空間和絕對時間概念．,二、幾個經(jīng)典概念和規(guī)律,4、空時坐標(biāo) （1）空間坐標(biāo)：需要3個空間量．比如：（x、y、z）． （2）空時坐標(biāo)：需要4個數(shù)．比如：（x、y、z、t）．,二、幾個經(jīng)典概念和規(guī)律,5、速度合成法則： （1）伽利略變換式：設(shè)有兩個參考系S和作勻速運動，且S/相對S沿X軸以速度v運動．則事件P在兩坐標(biāo)系中變換關(guān)系是,二、幾個經(jīng)典概念和規(guī)律,5、速度合成法則： （2）速度合成法則：設(shè)質(zhì)點在在S/中的速度為u/，則在S中的速度為 u=u/+v,二、幾個經(jīng)典概念和規(guī)律,6、慣性系：牛頓運動定律成立的參考系． 凡是相對于慣性系做勻速直線運動的參考系都是慣性系．,二、幾個經(jīng)典概念和規(guī)律,7、牛頓力學(xué)中的相對性原理：牛頓運動定律的數(shù)學(xué)形式在所有的慣性系中都是相同的，或者說，牛頓運動定律的數(shù)學(xué)形式在伽利略變換是不變的．,二、幾個經(jīng)典概念和規(guī)律,7、牛頓力學(xué)中的相對性原理：（其它表述） （1）在任何兩個慣性系中做同一個力學(xué)實驗都會得到相同的結(jié)果； （2）用任何力學(xué)方法都無法將兩個慣性系分開； （3）對于描述力學(xué)現(xiàn)象，所有的慣系都是平權(quán)的．,三、經(jīng)典物理學(xué)的困難,1、在經(jīng)典物理學(xué)中，牛頓運動定律能夠描述所有力學(xué)現(xiàn)象． 2、在電磁學(xué)領(lǐng)域，麥克斯韋電磁場理論能描述所有的電磁學(xué)現(xiàn)象．并指出：在任一慣性系中，光速各向同性，大小都等于c． 3、問題：假設(shè)光S在中的速度是c，它在S/ 中的速度是多少？,,,但是實驗現(xiàn)象表明，不論光源和觀察者做怎樣的相對運動，光速都是恒定的．,,,,v,光速＝,光速＝,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，它是電磁波傳播時所需要的介質(zhì)，拿以太做參考系時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．麥克爾遜實驗表明不存在這樣的特殊參考系，實際上就是宣布宇宙間不存在以太．,麥克爾遜莫雷實驗,這一結(jié)論還特別為后來的很多精確的實驗所證實，最著名的是1887年邁克爾遜和莫雷所做的實驗。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動無關(guān)，亦即與參照系無關(guān)。 可見光和電磁波的運動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)該是一樣的．,當(dāng)時人們?yōu)榱私鉀Q這個困難，提出了三種可能： （1）麥克斯韋電磁理論有錯，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。,上述的矛盾使物理學(xué)家面臨兩個選擇，一是修正現(xiàn)有的理論，去迎合實驗結(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．并提出了兩個假設(shè)：,四、狹義相對論的兩個基本假設(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、觀察者間的相對運動沒有關(guān)系。,對兩個基本原理的正確理解,①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； ②真空中的光速不變指大小既不依賴于光源或觀察者的運動，也不依賴于光的傳播方向 ③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。,相對論的時空觀念與人們固有的時空觀念差別很大，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。這使人們想起英國詩人波譜歌頌牛頓的詩句:,自然界和自然界的規(guī)律隱藏在黑暗中，上帝說：“讓牛頓去吧，”于是一切都成為光明。 后人續(xù)寫道: 上帝說完多少年之后，魔鬼說：“讓愛因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。,