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文檔簡介
初識相對論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。人類對物質(zhì)世界的認(rèn)識,已從宏觀低速物體的運動規(guī)律逐漸擴展到高速傳播的電磁波(包括光波)的場物質(zhì)運動規(guī)律。
隨著對物質(zhì)運動多樣性的認(rèn)識范圍逐步擴大和深入的同時,也引起了對物質(zhì)運動統(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-莫雷實驗(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暴風(fēng)雨,并促成了近代物理學(xué)的兩大理論支柱相對論和量子力學(xué)的誕生。一、經(jīng)典的相對性原理1、慣性系:牛頓運動定律成立的參考系。相對于一個慣性參考系做勻速直線運動的另一個參考系也是慣性系。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?;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)驗相符。
但是十九世紀(jì)中葉,人們在研究與物體運動有關(guān)的電磁現(xiàn)象時,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。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,它是光波傳播時所需要的介質(zhì),這種介質(zhì)絕對靜止、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“以太”的傳播速度為c,地球相對于“以太”的運行速度為v,當(dāng)光速c與地球速度v的方向相同時,則靜止在地球上的人觀測到該光的速度為c-v,當(dāng)光速c與地球速度v相反時,則該人觀測到該光的速度為c+v.如果能通過實驗測量到這種差別,就能證明“以太”的存在。麥克爾遜實驗證明光速的測量結(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)。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.麥克爾孫-莫雷實驗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
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。愛因斯坦選擇了后者.并提出了兩個假設(shè):二、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。
就是在看來如此簡單且最一般的兩個假設(shè)的基礎(chǔ)上愛因斯坦建立了一套完整的理論——狹義相對論對兩個基本原理的正確理解一、相對性原理表明:在某個慣性系中描述某個物理系統(tǒng)的某個物理過程的物理定律,在其他一切慣性系中對該系統(tǒng)作出描述的物理定律皆保持形式不變。在勻速飛行的飛機上觀測,上拋小球的運動遵循勻變速直線運動的規(guī)律,那么在地面上或其他慣性參考系中觀測,小球上拋的運動仍遵循同樣形式的勻變速直線運動的規(guī)律。對兩個基本原理的正確理解二、光速不變原理表明:在一切慣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動無關(guān)。(這一結(jié)論已被大量實驗包括邁克爾孫-莫雷實驗證實)假設(shè)在真空環(huán)境中,靜止在勻速運行列車中的觀測者與靜止于地面的觀測者,測得手電筒發(fā)出的光的速度大小都是c.[例1]
關(guān)于狹義相對論,下列說法不正確的是(
)A.狹義相對論認(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,與光源的運動無關(guān)C.狹義相對論只涉及無加速運動的慣性系D.狹義相對論任何情況下都適用解析根據(jù)狹義相對論的基本假設(shè)可知,選項A、B正確;狹義相對論只涉及慣性參考系,不涉及非慣性參考系,選項D錯誤,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)律也適用于高速運動的物體C.力學(xué)規(guī)律在一個靜止的參考系和一個勻速運動的參考系中是不等價的D.力學(xué)規(guī)律在任何慣性系里都是等價的解析在所有慣
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