5.1初識相對論課件高一下學期物理

第5章

科學進步無止境5.1初識相對論物體的運動離不開時間和空間，時間和空間究竟有怎樣的關系?人們對此問題的探索從未間斷過。牛頓和愛因斯坦對時間和空間有著根本不同的認識，如果把他們的時空觀放在一起進行比較，就如同我們再次聆聽兩位科學偉人之間跨越時空的“對話”。導入：再次跨越時空的對話牛頓認為，絕對的時間自身在流逝著，因其本性而在均勻地、與任何外界無關地流逝著:絕對的空間，就其本性而言，是與外界任何事物無關的，永遠是相同和不動的。時間和空間與物質(zhì)及其運動無關，并且時間和空間是完全獨立的。愛因斯坦認為，絕對的時間和絕對的空間是不存在的，時間、空間與物質(zhì)及其運動都有著密切的聯(lián)系；同時，時間和空間之間也有著緊密的聯(lián)系。兩位科學偉人的“對話”揭示了人類對時間和空間認識的不斷深入發(fā)展的過程。愛因斯坦的時空觀揭示了哪些規(guī)律?它對于人類探索宇宙有著怎樣的影響?通過本章的學習，你將體會到人類對基本自然規(guī)律孜孜不倦的探索精神。由伽利略和牛頓等人創(chuàng)立的經(jīng)典力學體系，到19世紀末已發(fā)展為一個包括力、熱聲、光、電等分支的完整經(jīng)典物理學體系，對人類的科學認識產(chǎn)生了深遠的影響。1900年，英國物理學家開爾文躊躇滿志地宣告：在已經(jīng)基本建成的科學大廈中，后輩物理學家只要做一些零碎的修補工作就行了。但是在這盡善盡美之中，還有一點小小的遺憾。用開爾文的話說，在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵小小的令人不安的“烏云”。正是這兩朵“烏云”引發(fā)了相對論和量子論的產(chǎn)生。下面我們側重學習與相對論有關的內(nèi)容。我們知道，水波的傳播要有水作為媒介，聲波的傳播要有空氣作為媒介。經(jīng)典物理學家曾認為，“以太”是光波的傳播介質(zhì)，這種介質(zhì)絕對靜止、密度極小(幾乎為0)、硬度極大、完全透明，充滿宇宙空間，滲透于一切物體。若真存在“以太”，地球在“以太”的海洋中自轉、公轉，則一定會有“以太風”迎面撲來。因此，探索“以太風”的存在，確定地球和“以太”的相對運動，就成為19世紀后半葉物理學的一個重要課題。按照經(jīng)典時空觀的運動合成原理，在以大小為v1的速度水平行駛的汽車上，有人相對于汽車以大小為v2的速度將一物體水平拋出。在靜止于路邊的觀察者看來，若物體拋出時與汽車同向，則物體速度大小為v2＋v1

；若反向，則物體速度大小為v2－v1(圖5－1)。同樣道理，假設光相對“以太”的傳播速度為c，地球相對“以太”的運行速度為v，當光速c與地球速度v的方相同時，則靜止在地球上的人觀測到該光的速度為c′＝c－v；當光速c與地球速度v的方向相反時，則此人觀測到該光的速度為c′＝c＋v。如果能通過實驗測量到這種差別，就能夠證明“以太”的存在。1887年，美國物理學家邁克爾孫(A.Michelson，1852—1931)與莫雷(E.Morley，1838—1923)合作，進行了著名的邁克爾孫—莫雷實驗。實驗證明，不論地球運動的方向同光的身向一致還是相反，測出的光速都相同，在地球同設想的“以太”之間沒有相對運動，找不到“以太”。這一實驗沒有支持“以太”說。這便是開爾文所說的在物理學睛朗天空遠處的一朵令人不安的“烏云”，也反映了牛頓力學的局限性。愛因斯坦經(jīng)過不懈的探索加上非凡的抽象思維能力，最終撥開了物理學天空中令人不安的“烏云”，提出了著名的相對論

(relativity)。他于1905年提出兩個基本假設：相對性原理

(principleofrelativity)：所有物理規(guī)律在一切慣性參考系中都具有相同的形式。光速不變原理

(principleofconstancyoflightspeed)：在一切慣性參考系中，測量到的真空中的光速c都一樣(c＝3×108m/s)。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)該過程作出描述的物理定律皆保持形式不變。例如，在勻速飛行的飛機上觀測，相對飛機豎直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(或在其他慣性參考系中)觀測，該小球的運動仍遵循同樣形式的勻變速直線運動的規(guī)律(圖5－2)。光速不變原理表明：在一切慣性系中觀測真空中傳播的光，其傳播速度均為c，與光源或觀察者的運動無關。這一結論實際上已被大量的實驗(包括克爾孫—雷實驗)實。如圖5－3所示，假設在真空環(huán)境中，靜止在勻速運行列車中的觀測者與靜立于地面的觀測者，測得手電筒發(fā)出的光的速度大小都是c?；谶@兩條基本原理，愛因斯坦建立了狹義相對論(specialtheoryofrelativity)，把物理學研究推進到高速領域。課堂練習1.簡述愛因斯坦在狹義相對論中提出的兩個基本假設。解：①狹義相對性原理：一切物理定律(除引力外的力學定律、電磁學定律以及其他相互作用的動力學定律)在所有慣性系中均有效?；蛘哒f，一切物理定律(除引力外)的方程式在洛倫茲變換下保持形式不變。不同時間進行的實驗給出了同樣的物理定律，這正是相對性原理的實驗基礎。②光速不變原理：光在真空中總是以確定的速度c傳播，速度的大小同光源的運動狀態(tài)無關。在真空中的各個方向上，光信號傳播速度(即單向光速)的大小均相同(即光速各向同性)。光速同光源的運動狀態(tài)和觀察者所處的慣性系無關。這個原理同經(jīng)典力學不相容。有了這個原理，才能夠準確地定義不同地點的同時性。2.查閱資料，比較愛因斯坦的狹義相對性原理與經(jīng)典力學的相對性原理有什么不同。解：經(jīng)典力學相對性原理只適用于描述機械運動的力學規(guī)律，采用的是各慣性系不變的絕對時空觀，推導出的是伽利略變換，可以保證機械力學規(guī)律的坐標變換不變性，但不能保證電磁運動規(guī)律的坐標變換不變性，所以本質(zhì)上只適用于低速力學現(xiàn)象。狹義相對論的相對性原