高中物理 第6章 相對(duì)論與天體物理 第1節(jié) 牛頓眼中的世界知識(shí)導(dǎo)航素材 魯科版選修34

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1、第1節(jié) 牛頓眼中的世界思維激活 在經(jīng)典力學(xué)中如果某一慣性系相對(duì)另一慣性系的速度為v，在此慣性系中有一物體速度為c，那么，此物體相對(duì)另一慣性系的速度是c+v嗎？提示:根據(jù)經(jīng)典力學(xué)的速度疊加原理，答案是肯定的，但是這種答案被邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)否定了，麥克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)證明了光速是不變的，這和傳統(tǒng)的速度合成法則是不同的. 牛頓物理學(xué)在人類(lèi)活動(dòng)的“正?！狈秶鷥?nèi)是非常準(zhǔn)確的.所謂“正?！狈秶侵福浩渲杏龅降乃俣冗h(yuǎn)小于光速，尺寸遠(yuǎn)大于分子但又不比銀河系大很多倍，引力也不比地球引力大很多倍.在這個(gè)范圍之外牛頓物理學(xué)的結(jié)論就與觀測(cè)結(jié)果不一致了.只有在相對(duì)論問(wèn)世以后,我們才開(kāi)始了解神奇的高速世界、認(rèn)識(shí)變化多彩的星空

2、，奧秘?zé)o窮的宇宙才為我們掀開(kāi)神秘的面紗. 愛(ài)因斯坦的相對(duì)論以深?yuàn)W難懂著稱(chēng).其實(shí),以少數(shù)不深?yuàn)W、不難懂的原理為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)可信的邏輯推理，你將看到，那些神奇的結(jié)論竟是十分自然的！自主整理一、經(jīng)典力學(xué)的相對(duì)性原理 大量實(shí)例證明：通過(guò)任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)，都不可能發(fā)現(xiàn)慣性系是處于_，還是做_.也就是說(shuō),不可能通過(guò)力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)得慣性系的_.這表明,力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是_.這個(gè)結(jié)論稱(chēng)為經(jīng)典力學(xué)的相對(duì)性原理.二、絕對(duì)時(shí)空觀1.在牛頓的世界里,力學(xué)規(guī)律之所以在_中表達(dá)形式都相同,其根本原因是_與_不會(huì)隨參考系不同而變化,也就是說(shuō)_是絕對(duì)的,這就是絕對(duì)時(shí)空觀.2._和_是經(jīng)典物理學(xué)的支柱.三、尋找“以太”邁克爾遜實(shí)

3、驗(yàn)1.19世紀(jì)的科學(xué)家認(rèn)為，波是振動(dòng)在_中的傳播，光速c是_振動(dòng)的傳播速度.“以太”是絕對(duì)靜止的，可看成是_的參考系，光在_中朝各個(gè)方向的傳播速度皆為_(kāi).2.物理學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了多種檢驗(yàn)_存在的實(shí)驗(yàn)，其中最著名的是邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn).高手筆記1.經(jīng)典力學(xué)的相對(duì)性原理力學(xué)規(guī)律在任何慣性參考系中都是相同的.2.絕對(duì)時(shí)空觀認(rèn)為：(1)同時(shí)性是絕對(duì)的,是不隨參考系的變化而變化的.(2)某事件經(jīng)歷的時(shí)間是不會(huì)因參考系不同而不同,即時(shí)間是絕對(duì)的.(3)空間也是絕對(duì)的,與物體的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān),與觀測(cè)者是否運(yùn)動(dòng)也無(wú)關(guān).(4)宇宙中存在一個(gè)絕對(duì)靜止的慣性參考系.(5)兩個(gè)觀察者分別在不同的慣性系中,觀察同一事物的結(jié)果時(shí),可

4、以通過(guò)伽利略變換將他們的觀察結(jié)果聯(lián)系起來(lái).3.經(jīng)典的相對(duì)性原理在電磁學(xué)領(lǐng)域里遭遇到了困惑,絕對(duì)時(shí)空觀遭遇了著名的麥克遜莫雷實(shí)驗(yàn)“零結(jié)果”事實(shí)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn).名師解惑1.理解經(jīng)典力學(xué)的相對(duì)性原理應(yīng)注意什么問(wèn)題? 剖析:(1)慣性系和非慣性系: 如果牛頓運(yùn)動(dòng)定律在某個(gè)參考系中成立,這個(gè)參考系叫做慣性系.相對(duì)一個(gè)慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng)的另一個(gè)參考系也是慣性系,勻速運(yùn)動(dòng)的汽車(chē)、輪船等作為參考系，就是慣性系.牛頓運(yùn)動(dòng)定律不成立的參考系稱(chēng)為非慣性系.例如我們坐在加速的車(chē)廂里,以車(chē)廂為參考系觀察路邊的樹(shù)木房屋向后方加速運(yùn)動(dòng),根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律,房屋樹(shù)木應(yīng)該受到不為零的合外力作用,但事實(shí)上沒(méi)有,也就是牛頓運(yùn)動(dòng)定律不成

5、立.這里加速的車(chē)廂就是非慣性系.(2)這里的力學(xué)規(guī)律指的是“經(jīng)典力學(xué)規(guī)律”.(3)本原理可以有不同表示,比如: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(duì)另一個(gè)慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng);或者說(shuō),任何慣性參考系都是平權(quán)的. 2.“超光速”存在嗎？ 剖析:根據(jù)麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論可以直接得到真空中電磁波的速度是光速c，那么此速度相對(duì)于哪個(gè)參考系？如果它相對(duì)于參考系S是正確的，另外還有一個(gè)參考S，S相對(duì)于S以速度v運(yùn)動(dòng)，若依據(jù)速度合成法則，光相對(duì)于S的速度應(yīng)是c-v ，或者是c+v，而不是c，若是c+v，這不是就存在“超光速”了？ 我們經(jīng)常講速度是相對(duì)的，參考系選取不同，速度的值也不

6、同，這是經(jīng)典力學(xué)中速度的概念，但是，1887年麥克斯韋莫雷實(shí)驗(yàn)中證明的結(jié)論是：不論取怎么樣的參考系，光速都是一樣的，也就是說(shuō)光速的大小與選取的參考系無(wú)關(guān).光的速度是從麥克斯韋方程組中推導(dǎo)出來(lái)的,它沒(méi)有任何前提條件,所以這個(gè)速度不是指相對(duì)某個(gè)參考系的速度.事實(shí)上由相對(duì)論可知,光速為極限速度,是不變的.講練互動(dòng)【例題1】假設(shè)你正坐在一列火車(chē)的車(chē)廂中,你能想出幾個(gè)辦法來(lái)分辨火車(chē)是靜止還是在做勻速直線運(yùn)動(dòng).這些辦法是否都同火車(chē)外的世界有某種聯(lián)系?解析：根據(jù)經(jīng)典力學(xué)的相對(duì)性原理,選列車(chē)車(chē)廂內(nèi)的任一物體作為參考系是無(wú)法分辨火車(chē)是相對(duì)地球靜止或做勻速直線運(yùn)動(dòng),而選取列車(chē)以外的參考系則可以區(qū)分火車(chē)是靜止或做勻

7、速直線運(yùn)動(dòng).答案：可以觀察車(chē)外的景物,如車(chē)、房屋等這些相對(duì)地面靜止的物體，看它們相對(duì)于車(chē)是否運(yùn)動(dòng)，如相對(duì)于車(chē)運(yùn)動(dòng)，則火車(chē)是運(yùn)動(dòng)的，如果不動(dòng)，則火車(chē)是靜止的，這些辦法都必須同火車(chē)外的世界有聯(lián)系.綠色通道 本題通過(guò)學(xué)生的日常生活體驗(yàn),幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)經(jīng)典力學(xué)相對(duì)性原理. 做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系是慣性參考系,在慣性系中所進(jìn)行的任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都不能判斷這個(gè)慣性系本身是否相對(duì)另一個(gè)慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng).變式訓(xùn)練1.如果你乘坐飛行器以接近于光速的速度沿直線勻速朝一星體飛行,如圖6-1-1所示,你是否可以發(fā)覺(jué)自己乘坐的飛行器在運(yùn)動(dòng)?圖6-1-1解析：根據(jù)相對(duì)性原理，如果飛行器是做勻速直線運(yùn)動(dòng)的，即沒(méi)有任何加速度，

8、則在其內(nèi)部的人就無(wú)法知道飛行器是否在移動(dòng)，即使飛行器有一個(gè)窗戶(hù)，你從窗戶(hù)向外看，看見(jiàn)某些東西在朝你移動(dòng)，但仍不能確定是飛行器在向這些東西移動(dòng)，還是這些東西在向飛行器移動(dòng).答案：不能【例題2】如圖6-1-2所示,在列車(chē)車(chē)廂的光滑水平面上有一個(gè)質(zhì)量為m=5 kg的小球,正隨車(chē)廂一起以20 m/s的速度勻速前進(jìn),現(xiàn)在給小球一個(gè)水平向前的F=5 N的拉力作用,求經(jīng)10 s時(shí),車(chē)廂里的觀察者和地面的觀察者看到小球的速度分別是多少?圖6-1-2解析:對(duì)車(chē)上的觀察者:物體的初速v0=0,加速度a=1 m/s210 s時(shí)速度v1=at=10 m/s對(duì)地上的觀察者:方法一:物體初速度 v0=20 m/s加速度相

9、同a=1 m/s2.10 s末速度v2=v0+at=30 m/s.方法二:根據(jù)速度合成法則v2=v1+v0=(10+20) m/s=30 m/s.答案:10 m/s 30 m/s綠色通道 在兩個(gè)慣性系中,雖然觀察到的結(jié)果并不相同,一個(gè)10 m/s,另一個(gè)30 m/s,但我們卻應(yīng)用了同樣的運(yùn)動(dòng)定律和速度合成法則.也就是說(shuō),力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的.變式訓(xùn)練2.下列關(guān)于經(jīng)典力學(xué)的評(píng)價(jià)正確的是（ ）A.經(jīng)典力學(xué)揭示了自然界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,是不可否定的B.經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀符合我們周?chē)目陀^事實(shí)是完全正確的C.經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀低速現(xiàn)象D.經(jīng)典力學(xué)既然有誤,不能再用來(lái)解決我們?nèi)粘Ｉ畹膯?wèn)題解析：對(duì)

10、經(jīng)典相對(duì)性原理,需要注意的問(wèn)題有兩點(diǎn):一是這里的規(guī)律是力學(xué)規(guī)律,不是一切規(guī)律;二是對(duì)所有的慣性參考系成立,而不是對(duì)所有參考系成立.對(duì)這兩點(diǎn)一定要記清楚.答案:C教材鏈接 例:閱讀課本第119頁(yè)有關(guān)邁克爾遜實(shí)驗(yàn)的介紹,談?wù)勀銓?duì)該實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)結(jié)論的認(rèn)識(shí). 答：如圖6-1-3所示,M1和M2是兩面平面鏡,互相垂直放置;G1是一面半鍍銀的鏡子,它可以將單色平行光分為兩束互相垂直的光束,一束沿M1的垂直方向入射與地球的運(yùn)動(dòng)方向垂直，一束沿M2的垂直方向入射與地球的運(yùn)動(dòng)方向一致;G2和G1是等厚的玻璃,保證射到M1和M2的兩束光通過(guò)同樣長(zhǎng)度的空氣和等厚的玻璃后經(jīng)反射同時(shí)到達(dá)觀察屏.圖6-1-3

11、 如果兩束光的光程一樣，或者相差波長(zhǎng)的整數(shù)倍，在觀察屏上就是亮的；若兩束光的光程差不是波長(zhǎng)的整數(shù)倍，就會(huì)有不同的干涉結(jié)果，由于M1和M2不能絕對(duì)地垂直，所以在觀察屏上可以看到明暗相間的條紋.如果射向M1和M2的光速不相同,就會(huì)造成干涉條紋的移動(dòng).我們知道地球的運(yùn)動(dòng)速度是很大的,當(dāng)我們將射向M1的光路逐漸移向地球的運(yùn)動(dòng)方向時(shí),應(yīng)當(dāng)看到干涉條紋的移動(dòng),實(shí)驗(yàn)結(jié)果,看不到任何干涉條紋的移動(dòng),因此,說(shuō)明光在任何參考系中的速度是不變的,它的速度的合成不滿足經(jīng)典力學(xué)的法則,因此需要新的假設(shè)出現(xiàn),為光速不變?cè)淼奶岢鎏峁┯辛Φ膶?shí)驗(yàn)證據(jù).6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375