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

第1節(jié) 牛頓眼中的世界思維激活 在經典力學中如果某一慣性系相對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，此物體相對另一慣性系的速度是c+v嗎？提示:根據(jù)經典力學的速度疊加原理，答案是肯定的，但是這種答案被邁克爾遜莫雷實驗否定了，麥克爾遜莫雷實驗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. 牛頓物理學在人類活動的“正?！狈秶鷥仁欠浅蚀_的.所謂“正?！狈秶侵福浩渲杏龅降乃俣冗h小于光速，尺寸遠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.在這個范圍之外牛頓物理學的結論就與觀測結果不一致了.只有在相對論問世以后,我們才開始了解神奇的高速世界、認識變化多彩的星空，奧秘無窮的宇宙才為我們掀開神秘的面紗. 愛因斯坦的相對論以深奧難懂著稱.其實,以少數(shù)不深奧、不難懂的原理為基礎，經過可信的邏輯推理，你將看到，那些神奇的結論竟是十分自然的！自主整理一、經典力學的相對性原理 大量實例證明：通過任何力學實驗，都不可能發(fā)現(xiàn)慣性系是處于_，還是做_.也就是說,不可能通過力學實驗測得慣性系的_.這表明,力學規(guī)律在任何慣性系中都是_.這個結論稱為經典力學的相對性原理.二、絕對時空觀1.在牛頓的世界里,力學規(guī)律之所以在_中表達形式都相同,其根本原因是_與_不會隨參考系不同而變化,也就是說_是絕對的,這就是絕對時空觀.2._和_是經典物理學的支柱.三、尋找“以太”邁克爾遜實驗1.19世紀的科學家認為，波是振動在_中的傳播，光速c是_振動的傳播速度.“以太”是絕對靜止的，可看成是_的參考系，光在_中朝各個方向的傳播速度皆為_.2.物理學家們設計了多種檢驗_存在的實驗，其中最著名的是邁克爾遜莫雷實驗.高手筆記1.經典力學的相對性原理力學規(guī)律在任何慣性參考系中都是相同的.2.絕對時空觀認為：(1)同時性是絕對的,是不隨參考系的變化而變化的.(2)某事件經歷的時間是不會因參考系不同而不同,即時間是絕對的.(3)空間也是絕對的,與物體的運動無關,與觀測者是否運動也無關.(4)宇宙中存在一個絕對靜止的慣性參考系.(5)兩個觀察者分別在不同的慣性系中,觀察同一事物的結果時,可以通過伽利略變換將他們的觀察結果聯(lián)系起來.3.經典的相對性原理在電磁學領域里遭遇到了困惑,絕對時空觀遭遇了著名的麥克遜莫雷實驗“零結果”事實的嚴峻挑戰(zhàn).名師解惑1.理解經典力學的相對性原理應注意什么問題? 剖析:(1)慣性系和非慣性系: 如果牛頓運動定律在某個參考系中成立,這個參考系叫做慣性系.相對一個慣性系做勻速直線運動的另一個參考系也是慣性系,勻速運動的汽車、輪船等作為參考系，就是慣性系.牛頓運動定律不成立的參考系稱為非慣性系.例如我們坐在加速的車廂里,以車廂為參考系觀察路邊的樹木房屋向后方加速運動,根據(jù)牛頓運動定律,房屋樹木應該受到不為零的合外力作用,但事實上沒有,也就是牛頓運動定律不成立.這里加速的車廂就是非慣性系.(2)這里的力學規(guī)律指的是“經典力學規(guī)律”.(3)本原理可以有不同表示,比如:在一個慣性參考系內進行的任何力學實驗都不能判斷這個慣性系是否相對另一個慣性系做勻速直線運動;或者說,任何慣性參考系都是平權的. 2.“超光速”存在嗎？ 剖析:根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論可以直接得到真空中電磁波的速度是光速c，那么此速度相對于哪個參考系？如果它相對于參考系S是正確的，另外還有一個參考S，S相對于S以速度v運動，若依據(jù)速度合成法則，光相對于S的速度應是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？ 我們經常講速度是相對的，參考系選取不同，速度的值也不同，這是經典力學中速度的概念，但是，1887年麥克斯韋莫雷實驗中證明的結論是：不論取怎么樣的參考系，光速都是一樣的，也就是說光速的大小與選取的參考系無關.光的速度是從麥克斯韋方程組中推導出來的,它沒有任何前提條件,所以這個速度不是指相對某個參考系的速度.事實上由相對論可知,光速為極限速度,是不變的.講練互動【例題1】假設你正坐在一列火車的車廂中,你能想出幾個辦法來分辨火車是靜止還是在做勻速直線運動.這些辦法是否都同火車外的世界有某種聯(lián)系?解析：根據(jù)經典力學的相對性原理,選列車車廂內的任一物體作為參考系是無法分辨火車是相對地球靜止或做勻速直線運動,而選取列車以外的參考系則可以區(qū)分火車是靜止或做勻速直線運動.答案：可以觀察車外的景物,如車、房屋等這些相對地面靜止的物體，看它們相對于車是否運動，如相對于車運動，則火車是運動的，如果不動，則火車是靜止的，這些辦法都必須同火車外的世界有聯(lián)系.綠色通道 本題通過學生的日常生活體驗,幫助學生認識經典力學相對性原理. 做勻速直線運動的參考系是慣性參考系,在慣性系中所進行的任何力學實驗都不能判斷這個慣性系本身是否相對另一個慣性系做勻速直線運動.變式訓練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)覺自己乘坐的飛行器在運動?圖6-1-1解析：根據(jù)相對性原理，如果飛行器是做勻速直線運動的，即沒有任何加速度，則在其內部的人就無法知道飛行器是否在移動，即使飛行器有一個窗戶，你從窗戶向外看，看見某些東西在朝你移動，但仍不能確定是飛行器在向這些東西移動，還是這些東西在向飛行器移動.答案：不能【例題2】如圖6-1-2所示,在列車車廂的光滑水平面上有一個質量為m=5 kg的小球,正隨車廂一起以20 m/s的速度勻速前進,現(xiàn)在給小球一個水平向前的F=5 N的拉力作用,求經10 s時,車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:對車上的觀察者:物體的初速v0=0,加速度a=1 m/s210 s時速度v1=at=10 m/s對地上的觀察者:方法一:物體初速度 v0=20 m/s加速度相同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 在兩個慣性系中,雖然觀察到的結果并不相同,一個10 m/s,另一個30 m/s,但我們卻應用了同樣的運動定律和速度合成法則.也就是說,力學規(guī)律在任何慣性系中都是相同的.變式訓練2.下列關于經典力學的評價正確的是（ ）A.經典力學揭示了自然界的運動規(guī)律,是不可否定的B.經典力學的時空觀符合我們周圍的客觀事實是完全正確的C.經典力學只適用于宏觀低速現(xiàn)象D.經典力學既然有誤,不能再用來解決我們日常生活的問題解析：對經典相對性原理,需要注意的問題有兩點:一是這里的規(guī)律是力學規(guī)律,不是一切規(guī)律;二是對所有的慣性參考系成立,而不是對所有參考系成立.對這兩點一定要記清楚.答案:C教材鏈接 例:閱讀課本第119頁有關邁克爾遜實驗的介紹,談談你對該實驗裝置、實驗內容、實驗結論的認識. 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動方向垂直，一束沿M2的垂直方向入射與地球的運動方向一致;G2和G1是等厚的玻璃,保證射到M1和M2的兩束光通過同樣長度的空氣和等厚的玻璃后經反射同時到達觀察屏.圖6-1-3 如果兩束光的光程一樣，或者相差波長的整數(shù)倍，在觀察屏上就是亮的；若兩束光的光程差不是波長的整數(shù)倍，就會有不同的干涉結果，由于M1和M2不能絕對地垂直，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,就會造成干涉條紋的移動.我們知道地球的運動速度是很大的,當我們將射向M1的光路逐漸移向地球的運動方向時,應當看到干涉條紋的移動,實驗結果,看不到任何干涉條紋的移動,因此,說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典力學的法則,因此需要新的假設出現(xiàn),為光速不變原理的提出提供有力的實驗證據(jù).6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375