鲁科版 选修34 相对论与天体物理 牛顿眼中的世界 课件 （共22张）.ppt

6 1牛顿眼中的世界 牛顿的经典力学的基础就是以牛顿命名的三条定律 这一理论形成于十七世纪 在以后的两个多世纪里 牛顿力学对科学和技术的发展起了巨大的推动作用 同时自身也得到了很大发展 但是 进入二十世纪 物理学研究的领域开始深入到了微观高速领域 这时人们发现牛顿力学在这些领域不再适用 物理学的发展要求对牛顿力学以及某些长期认为是不言自明的基本观念作出根本性的变革 物理学需要一场革命 二十世纪初诞生的相对论和量子力学就是这场从经典物理向近代物理变革的标志 一 经典力学的相对性原理 1 惯性系 牛顿运动定律成立的参考系相对于一个惯性参考系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系2 伽利略相对性原理力学规律在任何惯性系中都是相同的还可表述为 在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动 或者说 任何惯性系都是平权的 牛顿的伽利略相对性原理是作为基本假设提出来的 它之所以为人们接受承认 一方面是牛顿力学在解决力学问题获得的巨大功 另一方面观察结果与人们的经验相符 但是十九世纪中叶 人们在研究与物体运动有关的电磁现象时 发现在电磁现象的规律不符合相对性原理 其中最典型的就是光速的问题 不同的参考系中观察物体的运动情况可能不同 物体在空间移动这一概念也是相对的 在不同参考系中观察物体的运动情况 光速恒定的特性 同运动的相对性原理之间似乎产生了矛盾 但是实验现象表明 不论光源和观察者做怎样的相对运动 光速都是恒定的 v 光速 光速 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1887年迈克尔逊和莫雷所做的实验 它们都明确无误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 可见光和电磁波的运动不服从伽利略相对原理 任何参照系中测得的光在真空的速率都应该是这一数值 当时人们为了解决这个困难 提出了三种可能 1 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 2 牛顿力学与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 3 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变性 据伽利略变换 可得到经典时空观 1 同时的绝对性 在同一参照系中 两个事件同时发生 据伽利略变换 在另一参照系中 在其他惯性系中 两个事件也一定同时发生 同时的绝对性 二 绝对时空观 2 时间间隔的测量是绝对的 在同一参照系中 两个事件先后发生 其间隔为 在其他惯性系中 两个事件的时间间隔不变 时间间隔的绝对性 据伽利略变换 在另一参照系中 3 长度测量的绝对性 当杆的方向沿轴方向时 长度是杆的两端的坐标差 但必须同时测量 静止系中可不同时测 运动系中同时测 运动系中不同时测 静止系中 杆的长度为 运动系中 杆的长度为 据伽利略变换 长度测量是绝对的 运动系中同时测 运动系中不同时测 静止系中 杆的长度为 运动系中 杆的长度为 据伽利略变换 长度测量是绝对的 绝对时空概念 时间和空间的量度和参考系无关 长度和时间的测量是绝对的 二经典力学的绝对时空观 牛顿力学的相对性原理 在宏观 低速的范围内 是与实验结果相一致的 实践已证明 绝对时空观是不正确的 经典力学认为质量是和运动无关的常量 所以 在经典力学中 长度 时间及质量都和运动无关 是个不变量 1 电磁场方程组不服从伽利略变换2 光速c是常量 不论从哪个参考系中测量 迈克耳逊 莫雷 michelson morleg 实验以伽利略变换为基础来观测地球上各个方上光速的差异 由于地球自转 据伽利略变换 地球上各个方向上光速是不同的 在随地球公转的干涉仪中应可观测到条纹的移动 迈克耳逊 莫雷实验没有观测到预期的条纹移动 称为零结果 说明光速不变 牛顿力学的困难 对于不同的惯性系 电磁现象基本规律的形式是一样的吗 真空中的光速 对于两个不同的惯性参考系 光速满足伽利略变换吗 是否可以借助于光学实验的手段来发现相对于以太的运动呢 1 绝对静止参照系以太 三 寻找 以太 迈克尔孙实验 经典电磁理论认为光是在一种称为以太的介质中传播的 把以太选作为绝对静止的参照系 相对于以太的运动称作为绝对运动 根据力学相对性原理 任何惯性系都是等价的 无法借助于力学实验的手段来确定惯性系自身的运动状态 发现绝对运动的实验设想 a b 以太海 以太参照系 u 光信号 光在以太中的速度是 根据伽利略速度变换 c 光向a传播速度为 光向b传播速度为 c u c u 在车上的观察者认为 所以 b先接受到光信号 c u c u 车厢中点 900多年前 公元1054年5月 一次著名的超新星爆发 这次爆发的残骸形成了著名的金牛星座的蟹状星云 北宋天文学家记载从公元1054年 1056年均能用肉眼观察 特别是开始的23天 白天也能看见 物质飞散速度 当一颗恒星在发生超新星爆发时 它的外围物质向四面八方飞散 即有些抛射物向着地球运动 现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问 实际持续时间约为22个月 这怎么解释 理论计算观察到超新性爆发的强光的时间持续约 a点光线到达地球所需时间 b点光线到达地球所需时间 迈克尔孙 莫雷实验 为了测量地球相对于 以太 的运动 1881年迈克尔孙用他自制的干涉仪进行测量 没有结果 1887年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验 仍得到零结果 即未观测到地球相对 以太 的运动 人们为维护 以太 观念作了种种努力 提出了各种理论 但这些理论或与天文观察 或与其它的实验相矛盾 最后均以失败告终 实验结果未观察到地球相对于 以太 的运动 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