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)論問世以后,我們才開始

2、了解神奇的高速世界、認(rèn)識(shí)變化多彩的星空，奧秘?zé)o窮的宇宙才為我們掀開神秘的面紗. 愛因斯坦的相對(duì)論以深?yuàn)W難懂著稱.其實(shí),以少數(shù)不深?yuàn)W、不難懂的原理為基礎(chǔ)，經(jīng)過可信的邏輯推理，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,不可能通過力學(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

3、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___________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)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__________. 2.物理學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了多種檢驗(yàn)________存

4、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)無關(guān),與觀測(cè)者是否運(yùn)動(dòng)也無關(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),可以通過伽利略變換將他們的觀察結(jié)果聯(lián)系起來. 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

5、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、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(yùn)動(dòng),根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律,房屋樹木應(yīng)該受到不為零的合外力作用,但事實(shí)上沒有,也就是牛頓運(yùn)動(dòng)定律不成立.這里加速的車廂就是非慣性系. (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

6、,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,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

7、證明的結(jié)論是：不論取怎么樣的參考系，光速都是一樣的，也就是說光速的大小與選取的參考系無關(guān).光的速度是從麥克斯韋方程組中推導(dǎo)出來的,它沒有任何前提條件,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)你正坐在一列火車的車廂中,你能想出幾個(gè)辦法來分辨火車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,選列車車廂內(nèi)的任一物體作為參考系是無法分辨火車是相對(duì)地球靜止或做勻速直線運(yùn)動(dòng),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(yùn)動(dòng). 答案：可以觀察車外的景物,如車、

8、房屋等這些相對(duì)地面靜止的物體，看它們相對(duì)于車是否運(yùn)動(dòng)，如相對(duì)于車運(yùn)動(dòng)，則火車是運(yùn)動(dòng)的，如果不動(dòng)，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(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，即沒有任何加速度，

9、則在其內(nèi)部的人就無法知道飛行器是否在移動(dòng)，即使飛行器有一個(gè)窗戶，你從窗戶向外看，看見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,在列車車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)車上的觀察者: 物體的初速v0=0,加速度a==1 m/s2 10 s時(shí)速度v1=at=10 m/s 對(duì)地上的觀察者: 方法一:

10、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(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,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)空觀符合我們周圍的客觀事實(shí)是完全

11、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,不能再用來解決我們?nèi)粘Ｉ畹膯栴} 解析：對(duì)經(jīng)典相對(duì)性原理,需要注意的問題有兩點(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

12、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 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