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

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歡迎進(jìn)入物理課堂 5 1電磁場(chǎng)理論引發(fā)的怪異問(wèn)題5 2狹義相對(duì)論的基本原理 核心要點(diǎn)突破 課堂互動(dòng)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(duì)論的基本原理 重點(diǎn)難點(diǎn) 相對(duì)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(méi)有預(yù)期的移動(dòng) 結(jié)果表明 以太 是根本不存在的 光在任何方向上傳播時(shí) 相對(duì)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(duì)性原理指出 對(duì)于力學(xué)規(guī)律來(lái)說(shuō) 一切慣性系都是 的 相同 等價(jià) 三 狹義相對(duì)論的兩條公設(shè)1 在所有相互做 運(yùn)動(dòng)的慣性參考系中 都是相同的 這個(gè)假設(shè)叫做愛(ài)因斯坦相對(duì)性原理 2 在所有相互做 運(yùn)動(dòng)的慣性參考系中 光在真空中的速度都是 這個(gè)假設(shè)叫 勻速直線 物理規(guī)律 勻速直線 相等的 光速不變?cè)?式中c為光速 這一變換式通常叫做 變換 五 同時(shí)的相對(duì)性同時(shí)的相對(duì)性是指 在不同的地點(diǎn)發(fā)生的兩個(gè)事件 在一個(gè)慣性系里是同時(shí)的 但在另一個(gè)慣性系里看來(lái)卻 同時(shí)的 從愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論來(lái)看 不存在全宇宙普適的 概念 也就是說(shuō) 是相對(duì)的 跟觀察者所選取的 有關(guān) 洛倫茲 不是 同時(shí)性 同時(shí) 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(dòng)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(méi)有預(yù)期移動(dòng) 3 實(shí)驗(yàn)原理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M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) 但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻看不到任何干涉條紋的移動(dòng) 因此 說(shuō)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)?二 力學(xué)的相對(duì)性原理和狹義相對(duì)性原理的區(qū)別 力學(xué)的相對(duì)性原理指的是力學(xué)現(xiàn)象對(duì)一切慣性系來(lái)說(shuō) 都遵從同樣的規(guī)律 或者說(shuō) 在研究力學(xué)規(guī)律時(shí) 一切慣性系都是等價(jià)的 平權(quán)的 因此無(wú)法借助力學(xué)實(shí)驗(yàn)的手段確定慣性系自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 而狹義相對(duì)論指的是物理定律在所有慣性系中都是相同的 因此各個(gè)慣性系都是等價(jià)的 不存在特殊的絕對(duì)的慣性系 因此狹義相對(duì)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(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)參考系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 事實(shí)上由相對(duì)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(dòng)定律能夠成立的參考系叫慣性系 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(shù)木房屋向后方加速運(yùn)動(dòng) 根據(jù)牛頓定律 房屋樹(shù)木應(yīng)該受到不為零的合外力作用 但事實(shí)上沒(méi)有 也就是牛頓運(yùn)動(dòng)定律不成立 這里加速車廂就是非慣性系 課堂互動(dòng)講練 精講精析 根據(jù)狹義相對(duì)論的基本假設(shè) 光速不變?cè)砜芍?真空中的光速相對(duì)于火箭的速度為c 相對(duì)于地面的速度也為c 對(duì)不同的慣性系是相同的 因此C D正確 A B錯(cuò)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(duì)性原理得出的 而這一結(jié)論是錯(cuò)誤的 與狹義相對(duì)論中光速不變?cè)硐嗝?答案 在地面的觀察者看來(lái)光信號(hào)的速度為c 不是1 1c 試述當(dāng)經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀遇到光速不變的實(shí)驗(yàn)事實(shí)這一困難時(shí) 愛(ài)因斯坦是如何解決的 它的意義如何 精講精析 愛(ài)因斯坦提出了兩條基本假設(shè)即相對(duì)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?cè)?不管在哪個(gè)慣性系中 測(cè)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(shí)為狹義相對(duì)論的建立奠定了基礎(chǔ) 使得人們的時(shí)空觀發(fā)生了重大的變革 使得看似毫無(wú)聯(lián)系的時(shí)間與空間緊密地聯(lián)系在了一起 答案 見(jiàn)精講精析 方法總結(jié) 經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為 時(shí)間和空間是分離的 時(shí)間尺度和空間尺度跟物體運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān) 都是絕對(duì)的 即絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間 變式訓(xùn)練2既然經(jīng)典力學(xué)和電磁場(chǎng)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(wèn)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(duì)于低速 宏觀物體來(lái)說(shuō) 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(shí)間和空間是分離的 彼此孤立的 實(shí)際上時(shí)間和空間是不能分開(kāi)的 答案 見(jiàn)解析 地面上A B兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生 如圖5 1 2所示 對(duì)于坐在火箭中沿兩個(gè)事件發(fā)生地點(diǎn)A B連線飛行的人來(lái)說(shuō) 哪個(gè)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(gè)事件同時(shí)發(fā)生 即如在A B連線中點(diǎn)C放一時(shí)鐘 將同時(shí)接收到來(lái)自A B的信號(hào) 設(shè)想該時(shí)鐘以與火箭相同的速度飛行 則先接收到來(lái)自B的信號(hào) 后接收到來(lái)自A的信號(hào) 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(shí)性因參考系的選擇而異 變式訓(xùn)練3利用愛(ài)因斯坦理想實(shí)驗(yàn)說(shuō)明同時(shí)的相對(duì)性 答案 假設(shè)一列很長(zhǎng)的火車在沿平直軌道飛快地勻速行駛 車廂中央有一個(gè)光源發(fā)出一個(gè)閃光 閃光照到了車廂的前壁和后壁 這是兩個(gè)事件 車上的觀察者認(rèn)為兩個(gè)事件是同時(shí)的 在他看來(lái)這很好接受 因?yàn)檐噹莻€(gè)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(huì)同時(shí)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(cè)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(gè)慣性系 閃光向前 向后傳播的速度對(duì)地面也是相同的 但是在閃光飛向兩壁的過(guò)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(zhǎng)些 到達(dá)前壁的時(shí)刻也就晚些 這兩個(gè)事件不同時(shí) 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全