2021-2022学年高二物理竞赛课件：迈克耳逊莫雷实验

1、迈克耳逊莫雷实验迈克耳逊-莫雷实验一、绝对静止参照系 以太一个沿X轴方向传播的平面简谐机械波y =Acos ( t )xu波动方程真空中：(00)1/2= 3108 m/s1平面简谐电磁波c =对在无限大均匀介质中变化的电磁场，若表述电场和磁场的场量 E 和 H 不随 y、z 变化，且空间既无自由电荷也没有传导电流，由麦克斯韦电磁学方程 场量 E 和 H 满足如下偏微分方程： 假设 电磁波是在一种称为“以太”的 介质中传播的。 经典电磁理论（麦克斯韦电磁学方程）得到光以 c =3108m/s的速度传播，这个速度是对什么而言的？麦克斯韦：“发现了光和其他辐射的新现象之后，有关以太存在的主张获得了

2、坚实的支持。以太的性质是基于光的各种现象推论出来的，在尝试寻找关于以太构造的正确概念时，我们不论遇到什么样的困难，但毫无疑问的是：行星际和星际空间不是虚空的，它为物质实体所占据，或者它充满了大量的，并且应当认为是我们所知道的物体中最均匀的物体。” 麦克斯韦带有预见性的指出：“关于地球周围的传送光的媒质的状态和它与普通物质间的关系的全部问题，实验还远远没有解决。”现在似乎得到了光的绝对运动速度，它是一个常量，如能测得光在某惯性系中的相对速度，根据伽利略变换就可得到该惯性系的绝对运动速度。或者说，得到光以 c =3108m/s 的速度相对于绝对静止参照系“以太”传播，惯性系相对于“以太”的运动，应

3、该影响我们对光学现象的观察与测量，如测光速实验。“以太”是弥漫在空间的绝对静止的参照系。相对于“以太”的运动称作为绝对运动。发现绝对运动的实验设想以太海u光在以太中的速度是 c ，根据伽利略速度变换在车上的观察者认为：光向A传播速度为 c u光向B传播速度为 c + u往 A往 Bu光,车= c uu光,车= c +uu光，车i = c i u i u光，车i = c i u iu光，车= c uu光,以= u光,车+ u车,以YX以太参照系车厢中点光信号AB光的绝对速度是常量 所以：B先接受到光信号c +uc uAB以太海以太参照系vv车厢中点XY两个小球向两边弹开，同时到达。u球,以= u

4、球,车+ u车,以牛顿定律对于伽利略变换是不变的。在任何惯性系中做此实验，两个小球的初始条件相同，运动现象相同。两个小球在以太或其它惯性系中观察，运动速度不同，规律相同Fma=()S系Fma=()S系.F=Fu物体的绝对速度不是常量牛顿定律对于伽利略变换是不变的。初始条件相同力学现象相同麦克斯韦电磁学方程对于伽利略变换不是不变的。不同惯性系中，电磁现象不相同如果牛顿定律、麦克斯韦理论、通常关于绝对空间和绝对时间的概念是正确的话，则应存在一种确定观察者（包括地球）相对于以太的运动的方法。利用两光到达A、B的时间差, 原则上可以测出车厢相对于以太的运动速度。uu地球相对以太的速度（公转速度） 迈克

5、耳逊莫雷设计了一种干涉仪，企图测出地球相对于以太的运动速度，证明以太的存在。M1M2*S 二、迈克耳逊莫雷实验S 系1221l1l2u c2u2 c2u2往2返2cu光, 地u光, 地u地，以cu光，以 = u光，地+ u地，以c = u光，地+ uu地，以往2u光，地 = c2u2返2u光，地 = c2u2c +uc u1221l1l2u光，以 = u光，地+ u地，以往返22cu地，以u光, 地u光, 地u地，以c往1u光, 地 = c u返1u光, 地 = c +ut1 =+l1c uc + ul1uu光，地= c u往2u光，地 = c2u2返2u光，地 = c2u2 c2u2 c2u

6、2t2 =l2 c2u2+ c2u2l2c = u光，地+ u=c2l1( )11 u2/c2 =c2l2( )1(t2 t1 ) c =将干涉仪转 90后：l1垂直于u ，l2平行于u = = 仪器旋转后，由于光程差发生变化，t1 =+l1c uc + ul1t2 =l2 c2u2+l2 c2u22l2 1 u2/c22l11 u2/c22l11 u2/c22l2 1 u2/c2光程差应该能观察到干涉条纹的移动。1 u2/c2 但是，在实验中并没有观察到干涉条纹的移动。以后又在不同季节、不同纬度、不同时间进行实验，都没有观察到干涉条纹的移动。 迈克耳逊莫雷实验否定的结果说明：1.借助于光学实

7、验的手段也无法确定 惯性参照系自身的运动状态。2.绝对参照系和绝对静止是 不能观测到的。牛顿定律对于伽利略变换是不变的。初始条件相同力学现象相同麦克斯韦电磁学方程对于伽利略变换不是不变的。不同惯性系中，电磁现象不相同如果牛顿定律、麦克斯韦理论、通常关于绝对空间和绝对时间的概念是正确的话，则应存在一种确定观察者（包括地球）相对于以太的运动的方法。3。实验的否定结果说明，有某种根本性的错误: 错误与时空观有关。爱因斯坦1905年在他的论文中建议：“绝对静止这概念不仅在力学中，而且在电动力学中也不符合现象，倒是应当认为，凡是对力学方程适用的一切坐标系，对于上述电动力学和光学的定律也一样适用， 。我们要把这个猜想（它的内容以后就称之为 相对性原理 ）提升为公设，并且还要引进另一条在表面上看来同它不相