高二物理相对论的诞生2

第十五章相对论简介15.1相对论的诞生牛顿的经典力学的基础就是以牛顿命名的三条定律，这一理论形成于十七世纪，在以后的两个多世纪里，牛顿力学对科学和技术的发展起了巨大的推动作用，同时自身也得到了很大发展。但是，进入二十世纪，物理学研究的领域开始深入到了微观高速领域，这时人们发现牛顿力学在这些领域不再适用。物理学的发展要求对牛顿力学以及某些长期认为是不言自明的基本观念作出根本性的变革，物理学需要一场革命！二十世纪初诞生的相对论和量子力学就是这场从经典物理向近代物理变革的标志20世纪最伟大的科学家爱因斯坦一、经典的相对性原理1、惯性系：牛顿运动定律成立的参考系相对于一个惯性参考系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系2、伽利略相对性原理力学规律在任何惯性系中都是相同的还可表述为：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动；或者说，任何惯性系都是平权的。牛顿的伽利略相对性原理是作为基本假设提出来的，它之所以为人们接受承认，一方面是牛顿力学在解决力学问题获得的巨大功；另一方面观察结果与人们的经验相符。但是十九世纪中叶，人们在研究与物体运动有关的电磁现象时，发现在电磁现象的规律不符合相对性原理其中最典型的就是光速的问题不同的参考系中观察物体的运动情况可能不同，物体在空间移动这一概念也是相对的．在不同参考系中观察物体的运动情况光速恒定的特性，同运动的相对性原理之间似乎产生了矛盾？但是实验现象表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是恒定的．v光速＝c光速＝vc这一结论还特别为后来的很多精确的实验所证实，最著名的是1887年迈克尔逊和莫雷所做的实验。它们都明确无误地证明光速的测量结果与光源和测量者的相对运动无关，亦即与参照系无关。可见光和电磁波的运动不服从伽利略相对原理.任何参照系中测得的光在真空的速率都应该是这一数值1810992mSc.当时人们为了解决这个困难，提出了三种可能：（1）麦克斯韦电磁理论有错，正确的电磁方程组应满足伽利略不变性。（2）牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对，但麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立。（3）牛顿力学与伽利略变换不对，应存在某种变换，麦克斯韦电磁理论在这种新的变换下具有不变性。这意味着经典牛顿力学要作修改，修改后的力学方程在新的变换下具有不变性。二、相对性原理与电磁规律19世纪后半叶和20世纪初，物理学家们曾经猜想，有一种叫做以太的介质，弥漫在宇宙中，它是电磁波传播时所需要的介质，拿以太做参考系时麦克斯韦的电磁理论才成立．今天看来，以太是某一特殊参考系的代表．麦克尔逊实验表明不存在这样的特殊参考系，实际上就是宣布宇宙间不存在以太．麦克尔逊莫雷实验上述的矛盾使物理学家面临两个选择，一是修正现有的理论，去迎合实验结果（这相对比较容易，但常常无效）；另一种主张彻底摆脱“麦克斯韦电磁理论只适用于某一特殊的惯性系”，创立全新的理论。爱因斯坦、庞加莱等人选择了后者．并提出了两个假设：三、狭义相对论的两个基本假设1、狭义相对性原理在不同的惯性参考系，一切物理规律都是相同的2、光速不变原理真空中的光速在不同的惯性参考系中是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。就是在看来如此简单且最一般的两个假设的基础上爱因斯坦建立了一套完整的理论——狭义相对论对两个基本原理的正确理解①自然规律不仅包括力学规律，还包括电磁学规律等其他所有的物理学规律；②强调真空中的光速不变指大小既不依赖于光源或观察者的运动，也不依赖于光的传播方向③几十年来科学家采用各种先进的物理技术测量光速，结果都不违背光速不变原理。小结一、伽利略相对性原理力学规律在任何惯性系中都是相同的二、相对性原理与电磁规律发生矛盾三、狭义相对论的两个基本假设1、狭义相对性原理在不同的惯性参考系，一切物理规律都是相同的2、光速不变原理真空中的光速在不同的惯性参考系中是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难被普通人所理解。人们都称赞爱因斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟大的内容。这使人们想起英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句:自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，上帝说：“让牛顿去吧，”于是一切都成为光明。后人续写道:上帝说完多少年之后，魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。纪念钞回收纪念钞回收字大街中心，有一个有六间门面房外加三间库房的木匠铺。在门面房里，一侧摆放着一些做工精细的衣箱、衣橱、桌椅等木制家具；另一侧，摆放着耕地用的犁、播种用的耧等农具。门面房的中间足够宽敞，木匠师傅们在这里施展得开诸如锯、刨、凿、上漆等所有的木工活计。在三间库房里，分类存放着各种材质的木料。需要打制家具和农具的人们，可以根据自家的需要从中挑选木料，当然，同等体积的木料，由于材质不同，价格也不一。在小镇上亦有不少零散的，也可以称得上是“木匠”师傅的手艺人。乡民们要想打造一些日常使用的简单家具和农具，甚至盖新房什么的，往往更愿意请这些木匠帮忙。其原因大概有二。首先，这些零散的木匠都是一些街坊邻里，彼此非常熟悉，做活儿的时候，他们会精心地为主家着想，充分地利用主家的木材，就连那些斜头巴脑的边角料也不会浪费掉；其次，主家只要在木匠师傅做工期间，给他们做上一些好饭菜加以热情款待就行了，至于工钱嘛，是可以随意给的，或者是私下协商着适当给一点就行了。总之，请他们来制作各种简单的木工活儿，比请木匠铺的师傅们制作要合算得多。但不管怎么说，这个木匠铺子里的那几位师傅的手艺，是任何零散木匠们都比不上的。所以无论是小镇上的，还是小镇周围村庄里的人家，倘若想打制一套娶媳妇用的精制衣柜、嫁闺女用的漂亮梳妆台，或者是一架尺寸要求严格、制作难度很大的耧车时，就必须得请木匠铺的师傅们来做了。因此间，尽管有庞大的“散兵游勇”散布在乡民中间，但木匠铺的生意却总是红红火火的。至于十字大街中心位置的几家饭铺、饼铺、日杂商店、耿家客栈，以及东街上的张家肉铺、西街上的董家油坊、南街上的几家织布作坊倒也没有多少特别之处。可是小镇西边的那条四季流淌的小河，却是绝对不能不提的。这是因为，她不但是乡镇人们最大的骄傲，而且还串联起了镇上的几大美景呢。在这条四季不断流淌的小河上，修建有大小三座桥。其中最大的、也最像模像样的是用上好青石砌成的拱形大桥。该大桥直通小镇的西大街，据说建成已经上百年了，至今仍然完好无损。这座拱形大桥的桥面相当宽阔，两挂四套大马车对过也绰绰有余。另外的两座则都是规模小得多的木架便桥，只能通过一挂大马车。两座小桥分别位于拱形大桥的南、北两侧，与大桥之间的距离也就是一里左右的样子。这条小河流出乡镇后逐渐往东南方向拐了个小小的弯，然后才一直往南流淌而去，而那座南便桥实际上就搭建在那个拐弯的地方。如果盛夏时节下暴雨，偶尔会将便桥冲毁。一旦发生这样的事情，乡民们就在洪水过后，再重新搭建便桥。此外，有人还会在河面较宽、河水较浅的地方，不远不近地一溜儿摆