人教版高中物理 15.1《相对论的诞生》课件 新人教选修34.ppt

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1、第十五章第十五章 相对论简介相对论简介15.1 15.1 相对论的诞生相对论的诞生2021/8/9 星期一1一、问题的提出一、问题的提出如果有人对你说：“你头脑中的一些概念是不科学的”你相信吗？2021/8/9 星期一2一、问题的提出一、问题的提出人们头脑中的概念从科学性来讲，可以分为两类：第一类是科学的：第二类是经验的，但不是科学的2021/8/9 星期一3一、问题的提出一、问题的提出请问：1、标准尺的长度静止时和运动时的长度是一样吗？2标准钟的快慢运动时和静止时是一样吗？在高山顶和山谷是一样吗？2021/8/9 星期一4二、几个经典概念和规律二、几个经典概念和规律1、空间：人们通常所说的空

2、间量，不外乎线的长度、平面物曲面的面积、形体的体积等等它们都可以用标准尺来量度2021/8/9 星期一5二、几个经典概念和规律二、几个经典概念和规律2、时间：通常，时间不外乎两个事件的时间间隔、一个事件比另一个事件发生得早些或晚些、两个事件同时发生等等原则上时间都可以用标准钟来量度2021/8/9 星期一6二、几个经典概念和规律二、几个经典概念和规律3牛顿在他所著的自然哲学的数学原理一书中写道：绝对的空间，本质上是与外界无关的，是同一的和静止的绝对的时间，本质上是一种与外界物体无关的均匀流动这就是牛顿力学中的绝对空间和绝对时间概念2021/8/9 星期一7二、几个经典概念和规律二、几个经典概念

3、和规律4、空时坐标（1）空间坐标：需要3个空间量比如：（x、y、z）（2）空时坐标：需要4个数比如：（x、y、z、t）2021/8/9 星期一8二、几个经典概念和规律二、几个经典概念和规律5、速度合成法则：（1）伽利略变换式：设有两个参考系S和作匀速运动，且S/相对S沿X轴以速度v运动则事件P在两坐标系中变换关系是2021/8/9 星期一9二、几个经典概念和规律二、几个经典概念和规律5、速度合成法则：（2）速度合成法则：设质点在在S/中的速度为u/，则在S中的速度为u=u/+v2021/8/9 星期一10二、几个经典概念和规律二、几个经典概念和规律6、惯性系：牛顿运动定律成立的参考系凡是相对于

4、惯性系做匀速直线运动的参考系都是惯性系2021/8/9 星期一11二、几个经典概念和规律二、几个经典概念和规律7、牛顿力学中的相对性原理：牛顿运动定律的数学形式在所有的惯性系中都是相同的，或者说，牛顿运动定律的数学形式在伽利略变换是不变的2021/8/9 星期一12二、几个经典概念和规律二、几个经典概念和规律7、牛顿力学中的相对性原理：（其它表述）（1）在任何两个惯性系中做同一个力学实验都会得到相同的结果；（2）用任何力学方法都无法将两个惯性系分开；（3）对于描述力学现象，所有的惯系都是平权的2021/8/9 星期一13三、经典物理学的困难三、经典物理学的困难1、在经典物理学中，牛顿运动定律能

5、够描述所有力学现象2、在电磁学领域，麦克斯韦电磁场理论能描述所有的电磁学现象并指出：在任一惯性系中，光速各向同性，大小都等于c3、问题：假设光S在中的速度是c，它在S/中的速度是多少？2021/8/9 星期一14 但是实验现象表明，不论光但是实验现象表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，源和观察者做怎样的相对运动，光速都是恒定的光速都是恒定的v v光速光速 光速光速2021/8/9 星期一15 1919世纪后半叶和世纪后半叶和2020世纪初，物理世纪初，物理学家们曾经猜想，有一种叫做以太学家们曾经猜想，有一种叫做以太的介质，弥漫在宇宙中，它是电磁的介质，弥漫在宇宙中，它是电磁波传播时所需要的

6、介质，拿以太做波传播时所需要的介质，拿以太做参考系时麦克斯韦的电磁理论才成参考系时麦克斯韦的电磁理论才成立今天看来，以太是某一特殊参立今天看来，以太是某一特殊参考系的代表麦克尔逊实验表明不考系的代表麦克尔逊实验表明不存在这样的特殊参考系，实际上就存在这样的特殊参考系，实际上就是宣布宇宙间不存在以太是宣布宇宙间不存在以太麦麦克克尔尔逊逊莫莫雷雷实实验验2021/8/9 星期一16 这一结论还特别为后来的很多精确的这一结论还特别为后来的很多精确的实验所证实，最著名的是实验所证实，最著名的是18871887年迈克尔年迈克尔逊和莫雷所做的实验。它们都明确无误逊和莫雷所做的实验。它们都明确无误地证明光速

7、的测量结果与光源和测量者地证明光速的测量结果与光源和测量者的相对运动无关，亦即与参照系无关。的相对运动无关，亦即与参照系无关。可见光和电磁波的运动不服从伽利略可见光和电磁波的运动不服从伽利略相对原理相对原理.任何参照系中测得的光在真空的速任何参照系中测得的光在真空的速率都应该是一样的率都应该是一样的2021/8/9 星期一17 当时人们为了解决这个困难，提出了三种可能：当时人们为了解决这个困难，提出了三种可能：（1 1）麦克斯韦电磁理论有错，正确的电磁方程）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。组应满足伽利略不变性。（2 2）牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对，但麦）牛顿力学与

8、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。克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立。（3 3）牛顿力学与伽利略变换不对，应存在某种）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改，修改后的力学方程在新的变换下具有不变性。变性。2021/8/9 星期一18 上述的矛盾使物理学家面临两个上述的矛盾使物理学家面临两个选择，一是修正现有的理论，去迎选择，一是修正现有的理论，去迎合实验结果（这相对比较容

9、易，但合实验结果（这相对比较容易，但常常无效）；常常无效）；另一种主张彻底摆另一种主张彻底摆脱脱“麦克斯韦电磁理论只适用于某麦克斯韦电磁理论只适用于某一特殊的惯性系一特殊的惯性系”，创立全新的理，创立全新的理论。爱因斯坦、庞加莱等人选择了论。爱因斯坦、庞加莱等人选择了后者并提出了两个假设：后者并提出了两个假设：2021/8/9 星期一19四、狭义相对论的两个基本假设四、狭义相对论的两个基本假设1 1、狭义相对性原理、狭义相对性原理 在不同的惯性参考系，一切物在不同的惯性参考系，一切物理规律都是相同的理规律都是相同的2 2、光速不变原理、光速不变原理 真空中的光速在不同的惯性参真空中的光速在不同

10、的惯性参考系中是相同的，光速与光源、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。观察者间的相对运动没有关系。2021/8/9 星期一20对两个基本原理的正确理解两个基本原理的正确理解自然规律不仅包括力学规律，还包括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；电磁学规律等其他所有的物理学规律；真空中的光速不变指大小既不依赖于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，也不依赖于光光源或观察者的运动，也不依赖于光的传播方向的传播方向 几十年来科学家采用各种先进的物理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技术测量光速，结果都不违背光速不变原理。变原理。2021/8/9 星期一21 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。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:2021/8/9 星期一22 自自然然界界和和自自然然界界的的规规律律隐隐藏藏在在黑黑暗暗中中，上上帝帝说说：“让让牛牛顿顿去去吧吧，”于是一切都成为光明。于是一切都成为光明。后后人人续续写写道道:上上帝帝说说完完多多少少年年之之后后，魔魔鬼鬼说说：“让让爱爱因因斯斯坦坦去去吧吧，”于是一切又回到黑暗中。于是一切又回到黑暗中。2021/8/9 星期一232021/8/9 星期一24