初識(shí)相對(duì)論 課件-高一下學(xué)期物理魯科版（2019）必修第二冊(cè)

初識(shí)相對(duì)論I.Newton(1642-1727)物理學(xué)的大綜合J.C.Maxwell(1831-1879)力熱聲光電磁經(jīng)典物理學(xué)伽利略（1564-1642）牛頓（1643-1722）麥克斯韋（1831-1879）………物理學(xué)關(guān)鍵概念的發(fā)展1600190018001700力學(xué)熱力學(xué)電磁學(xué)2000相對(duì)論量子力學(xué)愛因斯坦（1879-1955）……

以牛頓力學(xué)和麥克斯韋電磁場(chǎng)理論為代表的經(jīng)典物理學(xué)，到20世紀(jì)初，已經(jīng)取得了空前的成就。人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)，已從宏觀低速物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律逐漸擴(kuò)展到高速傳播的電磁波（包括光波）的場(chǎng)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

隨著對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)多樣性的認(rèn)識(shí)范圍逐步擴(kuò)大和深入的同時(shí)，也引起了對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一性問題的思考。1900年,著名物理學(xué)家開爾文在元旦獻(xiàn)詞中的名言：

“

在物理學(xué)的天空，一切都已明朗潔凈了，只剩下兩朵烏云，一朵與麥克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)（尋找“以太”）有關(guān)，另一朵與黑體輻射有關(guān)?！?/p>

但他卻沒有料到，這兩朵小小的烏云正孕育著一場(chǎng)暴風(fēng)雨，并促成了近代物理學(xué)的兩大理論支柱相對(duì)論和量子力學(xué)的誕生。一、經(jīng)典的相對(duì)性原理1、慣性系：牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參考系。相對(duì)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(duì)性原理

力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的?；蛘哒f，任何慣性系都是平權(quán)的。

牛頓力學(xué)和伽利略相對(duì)性原理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)問題中的巨大功勞；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?cè)谘芯颗c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(duì)性原理。

其中最典型的就是光速的問題。19世紀(jì)后半葉和20世紀(jì)初，物理學(xué)家們?cè)?jīng)猜想，有一種叫做以太的介質(zhì)，彌漫在宇宙中，它是光波傳播時(shí)所需要的介質(zhì)，這種介質(zhì)絕對(duì)靜止、密度極小、硬度極大、完全透明，充滿宇宙空間，滲透一切物體。拿以太做參考系時(shí)麥克斯韋的電磁理論才成立．

低速世界的速度合成示意圖：同向反向同樣道理，假設(shè)光相對(duì)“以太”的傳播速度為c,地球相對(duì)于“以太”的運(yùn)行速度為v,當(dāng)光速c與地球速度v的方向相同時(shí)，則靜止在地球上的人觀測(cè)到該光的速度為c-v,當(dāng)光速c與地球速度v相反時(shí)，則該人觀測(cè)到該光的速度為c+v.如果能通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量到這種差別，就能證明“以太”的存在。麥克爾遜實(shí)驗(yàn)證明光速的測(cè)量結(jié)果與光源和測(cè)量者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)無關(guān)，亦即與參照系無關(guān)。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．麥克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)任何參照系中測(cè)得的光在真空的速率都應(yīng)該是這一數(shù)值

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(duì)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。愛因斯坦選擇了后者．并提出了兩個(gè)假設(shè)：二、狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)1、狹義相對(duì)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?cè)碚婵罩械墓馑僭诓煌膽T性參考系中是相同的，光速與光源、觀察者間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)沒有關(guān)系。

就是在看來如此簡(jiǎn)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(duì)論對(duì)兩個(gè)基本原理的正確理解一、相對(duì)性原理表明：在某個(gè)慣性系中描述某個(gè)物理系統(tǒng)的某個(gè)物理過程的物理定律，在其他一切慣性系中對(duì)該系統(tǒng)作出描述的物理定律皆保持形式不變。在勻速飛行的飛機(jī)上觀測(cè)，上拋小球的運(yùn)動(dòng)遵循勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，那么在地面上或其他慣性參考系中觀測(cè)，小球上拋的運(yùn)動(dòng)仍遵循同樣形式的勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。對(duì)兩個(gè)基本原理的正確理解二、光速不變?cè)肀砻鳎涸谝磺袘T性系中觀察真空中傳播的光，其傳播速度均為c，與光源或觀察者的運(yùn)動(dòng)無關(guān)。（這一結(jié)論已被大量實(shí)驗(yàn)包括邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)證實(shí)）假設(shè)在真空環(huán)境中，靜止在勻速運(yùn)行列車中的觀測(cè)者與靜止于地面的觀測(cè)者，測(cè)得手電筒發(fā)出的光的速度大小都是c.[例1]

關(guān)于狹義相對(duì)論，下列說法不正確的是(

)A.狹義相對(duì)論認(rèn)為在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的B.狹義相對(duì)論認(rèn)為在一切慣性系中，光在真空中的速度都等于c，與光源的運(yùn)動(dòng)無關(guān)C.狹義相對(duì)論只涉及無加速運(yùn)動(dòng)的慣性系D.狹義相對(duì)論任何情況下都適用解析根據(jù)狹義相對(duì)論的基本假設(shè)可知，選項(xiàng)A、B正確；狹義相對(duì)論只涉及慣性參考系，不涉及非慣性參考系，選項(xiàng)D錯(cuò)誤，C正確。答案

D[例2]

以下說法中正確的是(

)A.經(jīng)典物理中的速度合成公式在任何情況下都是適用的B.經(jīng)典物理規(guī)律也適用于高速運(yùn)動(dòng)的物體C.力學(xué)規(guī)律在一個(gè)靜止的參考系和一個(gè)勻速運(yùn)動(dòng)的參考系中是不等價(jià)的D.力學(xué)規(guī)律在任何慣性系里都是等價(jià)的解析在所有慣