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(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(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.在這個范圍之外牛頓物理學(xué)的結(jié)論就與觀測結(jié)果不一致了.只有在相對論問世以后,我們才開始

2、了解神奇的高速世界、認(rèn)識變化多彩的星空，奧秘?zé)o窮的宇宙才為我們掀開神秘的面紗. 愛因斯坦的相對論以深奧難懂著稱.其實(shí),以少數(shù)不深奧、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_____________.這個結(jié)論稱為經(jīng)典力學(xué)的相對性原理. 二、絕對時空觀 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(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(xué)家們設(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.絕對時空觀認(rèn)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(jīng)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(yùn)動無關(guān),與觀測者是否運(yùn)動也無關(guān). (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(jié)果時,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)典的相對性原理在電磁學(xué)領(lǐng)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(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(yùn)動的另一個參考系也是慣性系,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)牛頓運(yùn)動定律,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)都不能判斷這個慣性系是否相對另一個慣性系做勻速直線運(yùn)動;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(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？ 我們經(jīng)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(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,所以這個速度不是指相對某個參考系的速度. 事實(shí)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(shè)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(yùn)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(jīng)典力學(xué)的相對性原理,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地球靜止或做勻速直線運(yùn)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(yùn)動. 答案：可以觀察車外的景物,如車、

8、房屋等這些相對地面靜止的物體，看它們相對于車是否運(yùn)動，如相對于車運(yùn)動，則火車是運(yùn)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(xué)生的日常生活體驗(yàn),幫助學(xué)生認(rèn)識經(jīng)典力學(xué)相對性原理. 做勻速直線運(yùn)動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)都不能判斷這個慣性系本身是否相對另一個慣性系做勻速直線運(yùn)動. 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? 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(yùn)動的，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，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(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)在給小球一個水平向前的F=5 N的拉力作用,求經(jīng)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/s2 10 s時速度v1=at=10 m/s 對地上的觀察者: 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 在兩個慣性系中,雖然觀察到的結(jié)果并不相同,一個10 m/s,另一個30 m/s,但我們卻應(yīng)用了同樣的運(yùn)動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)的評價正確的是（ ） A.經(jīng)典力學(xué)揭示了自然界的運(yùn)動規(guī)律,是不可否定的 B.經(jīng)典力學(xué)的時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：對經(jīng)典相對性原理,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(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υ搶?shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)結(jié)論的認(rèn)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(yùn)動方向垂直，一束沿M2的垂直方向入

12、射與地球的運(yùn)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(jīng)反射同時到達(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M1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,實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jīng)典力學(xué)的法則,因此需要新的假設(shè)出現(xiàn),為光速不變原理的提出提供有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù). 6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375