高中物理 第六章 相对论 以太假说

高中物理 第六章 相对论 以太假说

以太假说 ‎ 如果我们仔细观察一下在海面上行驶的船，就会发现，由船激起的海浪的传播速度，一般也不与船的速度有关．因为，对一定的海面情况，海浪的速度是一定的，它与船速并无关系．‎ 因此，自然会想到一种类比，也许光是在某种“海洋”中的波．它的速度只决定于“海洋”的性质，同光源的速度无关．光的确有一系列的波动性质，这有利于“海洋”解释．所以，历史上这种观点流行一时，通常把传光的“海洋”叫做以太．由于光线能到处传播，所以假定以太也充满整个宇宙．这种假想的以太除了起着光传播媒介的作用外，我们却看不见它，也不能用其它方式感知它．为了能说明光传播的种种特征，不得不要求以太有许多特殊性质．例如，既要求以太有极大的刚性以使光波速度能高达每秒30万公里，同时又要求它对运动物体不施加任何阻力．这样的以太是不是真的存在呢?‎ 以太的特殊性质：‎ 以太透明；以太的密度很小（光速很大）；以太很硬（电磁波为横波）；以太无所不在，‎ 充满整个空间。‎ 一、经典的相对性原理 伽里略相对性原理 ‎《关于两种世界体系的对话》：“‎ 把你和朋友关在一条大船下的主舱里，让你们带着几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫，舱内放一只大水碗，其中有几条鱼，然后挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐里，船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向舱内各方向飞行；鱼向各个方向随便游动；水滴滴进下面的罐中，你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不必比另一方向施更多的力。当船以任何速度前进，只要是匀速的，你将发现，上述观察的现象依旧，你无法用任何现象判定船是运动还是不动……”‎ 伽里略坐标变换公式 ‎ 伽里略速度变换公式 ‎ ‎③牛顿力学的不变性m′=m F′＝F F＝ma F′＝m′a′‎ 力学规律在任何惯性参考系中都是相同的。‎ 还可以表述为：‎ 在任何惯性参考系中无法用任何力学实验判断该参考系相当于另一个参考系是静止的还是做匀速直线运动，即任何惯性参考系都是平权的。‎ 展示例题：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？‎ 学生解答：对车上的观察者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==‎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 小结：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。‎ 二、相对性原理与电磁规律之间的矛盾 麦克斯韦电磁理论的困难：‎ 光是电磁波；由于真空介电常数和磁导率是与参考系无关的常量，因此c也应是与参考系无关。这就是说在任何参考系中测得的光在真空中的速度都应该是同一数值。‎ 但是，根据相对性原理，若以c表示某一参考系K中测得的真空中光的速度，c′为以u运动的K′系中测得的光在真空中的速度，根据伽利略变换，就应有： c′= c—u 矛盾激发：“在不同的惯性系中光速不同”——“任何参考系中光速度都应该是同一数值”，说明相对性原理涉及到接近光速的高速领域产生了明显的困难。‎ 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。‎