《牛頓眼中的世界》參考課件1

牛頓眼中的世界選修3-4§1歷史背景及重要實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)牛頓力學(xué)麥克斯韋電磁場理論熱力學(xué)與經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論?19世紀(jì)后期，經(jīng)典物理學(xué)的三大理論體系使經(jīng)典物理學(xué)已趨于成熟。兩朵烏云：?邁克耳遜——莫雷“以太漂移”實(shí)驗(yàn)；?

黑體輻射實(shí)驗(yàn)。?近代物理不是經(jīng)典理論的補(bǔ)充，而是全新的理論。狹義相對論量子力學(xué)?近代物理學(xué)的兩大支柱，逐步建立了新的物理理論。?近代物理不是對經(jīng)典理論的簡單否定；一、經(jīng)典的相對性原理1、慣性系：牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參考系相對于一個(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、伽利略相對性原理

力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的還可表述為：在一個(gè)慣性參考系內(nèi)進(jìn)行的任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都不能判斷這個(gè)慣性系是否相對于另一個(gè)慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng)；或者說，任何慣性系都是平權(quán)的?！?/p>

在兩個(gè)慣性系中分析描述同一物理事件(event)3.伽利略變換OXKO'(X')K'vP(x,y,z)觀察者A在慣性系K中，觀察者B在慣性系K′中。K′以速度v相對于K運(yùn)動(dòng)，一小球在慣性系K′中的速度為u′,則：小球相對于慣性系K的速度為？當(dāng)小球運(yùn)動(dòng)到空間某點(diǎn)P是，觀察者A測得小球的時(shí)間和空間坐標(biāo)分別是t和x，觀察者B測得的時(shí)間和空間為t′和x′，有：經(jīng)典力學(xué)的伽利略變換，也是力學(xué)相對性原理的數(shù)學(xué)表達(dá)式經(jīng)典力學(xué)總結(jié)了低速物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，它反映了牛頓的絕對時(shí)空觀。絕對時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間是兩個(gè)相對時(shí)空觀獨(dú)立的觀念，彼此之間沒有聯(lián)系，分別具有絕對性。絕對時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間與空間的度量與慣性參照系的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)，同一物體在不同慣性參照系中觀察到的運(yùn)動(dòng)學(xué)量（如坐標(biāo)、速度）可通過伽利略變換而互相聯(lián)系。這就是力學(xué)相對性原理：一切力學(xué)規(guī)律在伽利略變換下是不變的。二、絕對時(shí)空觀據(jù)伽利略變換，可得到經(jīng)典時(shí)空觀（1）同時(shí)的絕對性在同一參照系中，兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生據(jù)伽利略變換，在另一參照系中，在其他慣性系中，兩個(gè)事件也一定同時(shí)發(fā)生。同時(shí)的絕對性。（2）時(shí)間間隔的測量是絕對的在同一參照系中，兩個(gè)事件先后發(fā)生，其間隔為在其他慣性系中，兩個(gè)事件的時(shí)間間隔不變。時(shí)間間隔的絕對性。據(jù)伽利略變換，在另一參照系中，（3）長度測量的絕對性

當(dāng)桿的方向沿軸方向時(shí)，長度是桿的兩端的坐標(biāo)差，但必須同時(shí)測量。靜止系中可不同時(shí)測運(yùn)動(dòng)系中同時(shí)測運(yùn)動(dòng)系中不同時(shí)測靜止系中，桿的長度為運(yùn)動(dòng)系中，桿的長度為據(jù)伽利略變換長度測量是絕對的。

是否可以借助于光學(xué)實(shí)驗(yàn)的手段來發(fā)現(xiàn)相對于以太的運(yùn)動(dòng)呢？1、絕對靜止參照系以太三、尋找“以太”—邁克爾孫實(shí)驗(yàn)

經(jīng)典電磁理論認(rèn)為光是在一種稱為以太的介質(zhì)中傳播的。

把以太選作為絕對靜止的參照系。相對于以太的運(yùn)動(dòng)稱作為絕對運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)力學(xué)相對性原理，任何慣性系都是等價(jià)的，無法借助于力學(xué)實(shí)驗(yàn)的手段來確定慣性系自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。2.邁克耳遜——

莫雷實(shí)驗(yàn)

假定相對性原理不成立，麥克斯韋方程的形式僅在以太中成立。因此在地球上可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證地球相對“以太”的速度。反過來可以通過實(shí)驗(yàn)尋找“以太”靜止的絕對參考系。假定在“以太”中光速各項(xiàng)同性且恒等于c，而在其它參考系光速各項(xiàng)異性。假定太陽與以太固連，地球相對于以太的速度就應(yīng)當(dāng)是地球繞太陽的運(yùn)動(dòng)速度。對光線（1）：地球系以太風(fēng)以太1801年，托馬斯·楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)表明，光是一種波動(dòng)，我們知道水波的載體是水，聲波的載體是空氣。那么光既然是波，應(yīng)該有一種載體。人們想起了亞里士多德的以太理論。亞里士多德認(rèn)為，以太只存在于“月上世界”，19世紀(jì)的學(xué)者們則進(jìn)一步認(rèn)為：以太是絕對靜止的參考系，以太充滿全宇宙。他們認(rèn)為波是振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播速度，光速是“以太”介質(zhì)振動(dòng)的傳播速度，光能從遙遠(yuǎn)的星體傳播到地球，表明以太不僅透明而且彈性極好。

2.邁克耳遜——

莫雷實(shí)驗(yàn)對光線（2）設(shè)由于物體運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速，則做小量處理有：同樣做小量處理有：光程差的差別為：光程差的差別與條紋移動(dòng)的關(guān)系為：當(dāng)儀器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，引起干涉條紋的移動(dòng)：邁克耳遜——莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果，說明了“以太”本身不存在。該實(shí)驗(yàn)被認(rèn)為是狹義相對論的主要實(shí)驗(yàn)支柱之一。1881年邁克耳遜第一次實(shí)驗(yàn)，預(yù)期1887年邁克耳遜和莫雷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果邁克耳遜干涉儀精度可觀測到0.01個(gè)條紋的移動(dòng)。1907年邁克耳遜因創(chuàng)制精密光學(xué)儀器而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)可見光和電磁波的運(yùn)動(dòng)不服從伽利略相對原理.

光速是不變的使我物理學(xué)家面臨一個(gè)困難的選擇：要么放棄麥克斯韋的電磁理論，要么否定特殊參考系的存在.愛因斯坦選擇了后者.他認(rèn)為，既然在不同的慣性系中力學(xué)規(guī)律都一樣，我們會很自然地想到，電磁規(guī)律在不同的慣性系中也是一樣的，也就是說，并不存在某一個(gè)特殊參考系（例如地球參考系、太陽參考系，或者所謂的以太……）愛因斯坦把伽利略的相對性原理推廣到電磁規(guī)律和一切其他物理規(guī)律，成為他的第一個(gè)假設(shè)：1、地球相對以太靜止論

地球?yàn)榻^對參照系，光速在地球上恒為c且各向同性。這樣顯然光程差的差別為零，在地球上實(shí)驗(yàn)條紋不移動(dòng)。但此解釋必然得出地球是宇宙中心的結(jié)論，同時(shí)太陽光在地球周圍各向同性，但太陽相對地球運(yùn)動(dòng)，仍不符合經(jīng)典速度合成。

恒星光行差現(xiàn)象（1727年發(fā)現(xiàn)）：觀察恒星光線的視方向與“真實(shí)”方向之間有一夾角，這說明若以太存在，將不能被地球拖動(dòng)。若被拖動(dòng)則地球上將看不到光行差現(xiàn)象。地球上觀察天體的方向，應(yīng)是地球相對恒星的運(yùn)動(dòng)速度與光速合成的方向。理論計(jì)算：對太陽光的實(shí)驗(yàn)觀測：2、拖拽理論

地球不是絕對參照系。但由于以太很輕，地球在以太中運(yùn)動(dòng)可以拖動(dòng)以太一起運(yùn)動(dòng)。但這種說法與光行差現(xiàn)象矛盾。

靜止光源光速為c，運(yùn)動(dòng)光源光速改變，且各向同性。這樣在地球上用靜止光源做實(shí)驗(yàn)，條紋當(dāng)然不移動(dòng)。麥?zhǔn)戏匠淘诘厍蛏暇_成立，但在以太中形式不同。仍認(rèn)為以太存在，這樣陽光在地球上不為c。3、發(fā)射理論

這一說法與雙星實(shí)驗(yàn)相矛盾。若光速與光源運(yùn)動(dòng)有關(guān)，則B星在1處光速相對地球?yàn)閏+v，當(dāng)B星運(yùn)動(dòng)到2處光速相對地球?yàn)閏-v。則在同一時(shí)刻觀看B星不應(yīng)是一亮點(diǎn)。因?yàn)楣馑俨坏龋訠星在不同時(shí)刻發(fā)出的光可在同一時(shí)刻到達(dá)地球，所拍攝照片應(yīng)是一條很短的亮線。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果均為亮點(diǎn)，說明光速與光源運(yùn)動(dòng)無關(guān)。1924年用日光做邁氏實(shí)驗(yàn)，條紋仍然無移動(dòng)，證明雙星實(shí)驗(yàn)正確。地球12假定認(rèn)為沿相對以太運(yùn)動(dòng)方向上物體長度收縮為則在地球上觀測，光沿OM1O時(shí)間：