高中物理 第六章 相对论与天体物理

高中物理 第六章 相对论与天体物理

‎§6-1牛顿眼中的世界 ‎ ‎⒈经典的相对性原理 下面我们来研究一个简单的力学问题。（投影问题）‎ 如图，在列车车厢的光滑水平面上有一个质量为m=‎0.5 kg的小球，正随车厢一起以‎20 m/s的速度匀速前进.现在给小球一个水平向前的F=5 N的拉力作用，求经10 s时，车厢里的观察者和地面的观察者看到小球的速度分别是多少？‎ 学生分析：对车上的观察者 物体初速度v0=0，加速度a=F/m=‎10 m/s2，10 s时速度v1=at=‎10 m/s 对地上的观察者 方法一：物体初速度v0=‎20 m/s 加速度相同a=F/m=‎10 m/s2，10 s末速度v2=v0+at=‎30 m/s 方法二：根据速度合成法则 v2=v1+v0=（10+20） m/s=‎30 m/s 通过这个例子大家看到，在两个惯性系中，虽然观察到的结果并不相同，一个是‎10 m/s,另一个是‎30 m/s，但我们却应用了同样的运动定律和速度合成法则，也就是说，我们相信：力学规律在任何惯性系中都是相同的。这就是伽利略相对性原理。在一个惯性参考系内的任何力学实验都无法判断这个参考系是否相对于另一个参考系做匀速运动或者说任何参考系都是平权的。‎ ‎（教师还可引导学生举例说明相对性原理，并进行讨论）‎ ‎⒉相对性原理与电磁规律 请大家看课本图，考虑几个问题：‎ ‎⑴参考系O′相对于参考系O静止时，人看到的光速应是多少？‎ ‎⑵参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动，人看到的光速应是多少？‎ ‎⑶参考系O′相对于参考系O以速度v向左运动，人看到的光速又是多少？‎ 第一种情况人看到的光速应是c，第二种情况应是c+v，第三种情况应是c-v。‎ 说说你们判断依据。根据速度合成的法则。‎ 大家认为对吗？（学生一致认为正确）‎ 如果这个法则有问题呢？（学生沉默）‎ 实践是检验真理的标准，我们是不是可以通过实验来检验呢？回答是肯定的，这就是著名的麦克尔逊测定光速的实验，同学们应该有印象。‎ 不论光源和观察者怎样运动，光速都是相同的。‎ 这与我们从速度合成法则推导的结论发生了矛盾.问题出在哪里呢？‎ ‎⒊狭义相对论的两个基本假设 这一矛盾，不仅对我们的推理给予否定，还对麦克斯韦电磁场理论提出了挑战：要么否定特殊参考系O的存在，要么放弃麦克斯韦电磁场理论.爱因斯坦选择了后者，提出了两条假设：（投影）‎ ‎⑴在不同的惯性系中，一切物理规律都是相同的。（爱因斯坦相对性原理）‎ ‎⑵真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。（光速不变原理）‎ 为什么这两个结论被称为假设呢？‎ 虽然这两个假设可以由麦克尔逊实验直接推出，但这毕竟是有限的几次实验，只有用这个假设得出大量的结论与事实相符时，它们才能成为真正意义上的原理，这才是科学的态度。‎