滬科物理選修3-4 第5章5.1《電磁場理論引發(fā)的怪異問題》5.2《狹義相對論的基本原理》

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歡迎進(jìn)入物理課堂 5 1電磁場理論引發(fā)的怪異問題5 2狹義相對論的基本原理 核心要點(diǎn)突破 課堂互動講練 知能優(yōu)化訓(xùn)練 5 1 5 2 課前自主學(xué)案 課標(biāo)定位 課標(biāo)定位 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1 了解經(jīng)典電磁理論的局限性 2 了解相對論的基本原理 重點(diǎn)難點(diǎn) 相對論的基本原理 課前自主學(xué)案 一 邁克耳孫 莫雷實(shí)驗(yàn)觀察干涉條紋沒有預(yù)期的移動 結(jié)果表明 以太 是根本不存在的 光在任何方向上傳播時 相對于地球的速度都是 的 這就是邁克耳孫 莫雷實(shí)驗(yàn)的以太漂移的零結(jié)果 二 電磁理論的 缺陷 伽利略相對性原理指出 對于力學(xué)規(guī)律來說 一切慣性系都是 的 相同 等價 三 狹義相對論的兩條公設(shè)1 在所有相互做 運(yùn)動的慣性參考系中 都是相同的 這個假設(shè)叫做愛因斯坦相對性原理 2 在所有相互做 運(yùn)動的慣性參考系中 光在真空中的速度都是 這個假設(shè)叫 勻速直線 物理規(guī)律 勻速直線 相等的 光速不變原理 式中c為光速 這一變換式通常叫做 變換 五 同時的相對性同時的相對性是指 在不同的地點(diǎn)發(fā)生的兩個事件 在一個慣性系里是同時的 但在另一個慣性系里看來卻 同時的 從愛因斯坦的狹義相對論來看 不存在全宇宙普適的 概念 也就是說 是相對的 跟觀察者所選取的 有關(guān) 洛倫茲 不是 同時性 同時 參考系 核心要點(diǎn)突破 一 邁克耳孫 莫雷實(shí)驗(yàn)1 實(shí)驗(yàn)裝置 如圖5 1 1所示 圖5 1 1 2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 轉(zhuǎn)動干涉儀 在水平面內(nèi)不同方向進(jìn)行光的干涉實(shí)驗(yàn) 干涉條紋并沒有預(yù)期移動 3 實(shí)驗(yàn)原理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(jié)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(yùn)動速度是很大的 當(dāng)我們將射向M的光路逐漸移向地球的運(yùn)動方向時 應(yīng)當(dāng)看到干涉條紋的移動 但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻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(jīng)典力學(xué)的法則 因此需要新的假設(shè)出現(xiàn) 為光速不變原理 二 力學(xué)的相對性原理和狹義相對性原理的區(qū)別 力學(xué)的相對性原理指的是力學(xué)現(xiàn)象對一切慣性系來說 都遵從同樣的規(guī)律 或者說 在研究力學(xué)規(guī)律時 一切慣性系都是等價的 平權(quán)的 因此無法借助力學(xué)實(shí)驗(yàn)的手段確定慣性系自身的運(yùn)動狀態(tài) 而狹義相對論指的是物理定律在所有慣性系中都是相同的 因此各個慣性系都是等價的 不存在特殊的絕對的慣性系 因此狹義相對論原理所指范圍更大 內(nèi)容更豐富 三 為什么 超光速 不存在根據(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 另外還有一個參考系S S 相對于S以速度v運(yùn)動 若依據(jù)速度合成法則 光相對于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 事實(shí)上由相對論可知 光速為極限速度 是不變的 因此伽利略速度合成法則在這里是不適用的 四 慣性系和非慣性系牛頓運(yùn)動定律能夠成立的參考系叫慣性系 勻速運(yùn)動的汽車 輪船等作為參考系就是慣性系 牛頓運(yùn)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(yùn)動 根據(jù)牛頓定律 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)動定律不成立 這里加速車廂就是非慣性系 課堂互動講練 精講精析 根據(jù)狹義相對論的基本假設(shè) 光速不變原理可知 真空中的光速相對于火箭的速度為c 相對于地面的速度也為c 對不同的慣性系是相同的 因此C D正確 A B錯誤 答案 CD 方法總結(jié) 本題易誤選A B 原因是按經(jīng)典力學(xué)的相對性原理得出的 而這一結(jié)論是錯誤的 與狹義相對論中光速不變原理相矛盾 答案 在地面的觀察者看來光信號的速度為c 不是1 1c 試述當(dāng)經(jīng)典力學(xué)時空觀遇到光速不變的實(shí)驗(yàn)事實(shí)這一困難時 愛因斯坦是如何解決的 它的意義如何 精講精析 愛因斯坦提出了兩條基本假設(shè)即相對性原理 在不同的慣性參考系中 一切物理規(guī)律都是相同的 光速不變原理 不管在哪個慣性系中 測得的真空中的光速都相同 從而解決了上述矛盾 兩條基本假設(shè)的提出解決了光速不變的困難 同時為狹義相對論的建立奠定了基礎(chǔ) 使得人們的時空觀發(fā)生了重大的變革 使得看似毫無聯(lián)系的時間與空間緊密地聯(lián)系在了一起 答案 見精講精析 方法總結(jié) 經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為 時間和空間是分離的 時間尺度和空間尺度跟物體運(yùn)動無關(guān) 都是絕對的 即絕對時間和絕對空間 變式訓(xùn)練2既然經(jīng)典力學(xué)和電磁場理論賴以支撐的 以太 不存在 經(jīng)典物理學(xué)的正確性應(yīng)該受到懷疑嗎 你認(rèn)為經(jīng)典物理學(xué)的問題可能出在哪里 解析 經(jīng)典物理學(xué)是物理學(xué)的基礎(chǔ) 雖然具有一定的局限性 但對于低速 宏觀物體來說 仍然是成立的 是不容懷疑的 經(jīng)典物理學(xué)的局限性主要是由于認(rèn)為時間和空間是分離的 彼此孤立的 實(shí)際上時間和空間是不能分開的 答案 見解析 地面上A B兩個事件同時發(fā)生 如圖5 1 2所示 對于坐在火箭中沿兩個事件發(fā)生地點(diǎn)A B連線飛行的人來說 哪個事件先發(fā)生 圖5 1 2 自主解答 以地面為參考系 A B兩個事件同時發(fā)生 即如在A B連線中點(diǎn)C放一時鐘 將同時接收到來自A B的信號 設(shè)想該時鐘以與火箭相同的速度飛行 則先接收到來自B的信號 后接收到來自A的信號 即以火箭 或火箭上的人 為參考系 B事件先發(fā)生 答案 B事件先發(fā)生 方法總結(jié) 事件的同時性因參考系的選擇而異 變式訓(xùn)練3利用愛因斯坦理想實(shí)驗(yàn)說明同時的相對性 答案 假設(shè)一列很長的火車在沿平直軌道飛快地勻速行駛 車廂中央有一個光源發(fā)出一個閃光 閃光照到了車廂的前壁和后壁 這是兩個事件 車上的觀察者認(rèn)為兩個事件是同時的 在他看來這很好接受 因?yàn)檐噹莻€慣性系 光向前 向后傳播的速度相同 光源又在車廂的中央 閃光當(dāng)然會同時到達(dá)前后兩壁 如圖所示 車下的觀察者則不以為然 他觀測到 閃光先到達(dá)后壁 后到達(dá)前壁 他的解釋是 地面也是一個慣性系 閃光向前 向后傳播的速度對地面也是相同的 但是在閃光飛向兩壁的過程中 車廂向前行進(jìn)了一段距離 所以向前的光傳播的路程長些 到達(dá)前壁的時刻也就晚些 這兩個事件不同時 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全