高中物理 第6章 相对论与天体物理 第1节 牛顿眼中的世界知识导航素材 鲁科版选修3-4（通用）

高中物理 第6章 相对论与天体物理 第1节 牛顿眼中的世界知识导航素材 鲁科版选修3-4（通用）

第1节 牛顿眼中的世界 ‎ 思维激活 在经典力学中如果某一惯性系相对另一惯性系的速度为v，在此惯性系中有一物体速度为c，那么，此物体相对另一惯性系的速度是c+v吗？‎ 提示:根据经典力学的速度叠加原理，答案是肯定的，但是这种答案被迈克尔逊—莫雷实验否定了，麦克尔逊—莫雷实验证明了光速是不变的，这和传统的速度合成法则是不同的.‎ 牛顿物理学在人类活动的“正常”范围内是非常准确的.所谓“正常”范围是指：其中遇到的速度远小于光速，尺寸远大于分子但又不比银河系大很多倍，引力也不比地球引力大很多倍.在这个范围之外牛顿物理学的结论就与观测结果不一致了.只有在相对论问世以后,我们才开始了解神奇的高速世界、认识变化多彩的星空，奥秘无穷的宇宙才为我们掀开神秘的面纱.‎ 爱因斯坦的相对论以深奥难懂著称.其实,以少数不深奥、不难懂的原理为基础，经过可信的逻辑推理，你将看到，那些神奇的结论竟是十分自然的！‎ 自主整理 一、经典力学的相对性原理 大量实例证明：通过任何力学实验，都不可能发现惯性系是处于_____________，还是做_____________.也就是说,不可能通过力学实验测得惯性系的_____________.这表明,力学规律在任何惯性系中都是_____________.这个结论称为经典力学的相对性原理.‎ 二、绝对时空观 ‎1.在牛顿的世界里,力学规律之所以在_________中表达形式都相同,其根本原因是________与_________不会随参考系不同而变化,也就是说___________是绝对的,这就是绝对时空观.‎ ‎2.___________和___________是经典物理学的支柱.‎ 三、寻找“以太”——迈克尔逊实验 ‎1.19世纪的科学家认为，波是振动在________中的传播，光速c是_____________振动的传播速度.“以太”是绝对静止的，可看成是_____________的参考系，光在_____________中朝各个方向的传播速度皆为__________.‎ ‎2.物理学家们设计了多种检验________存在的实验，其中最著名的是迈克尔逊—莫雷实验.‎ 高手笔记 ‎1.经典力学的相对性原理 力学规律在任何惯性参考系中都是相同的.‎ ‎2.绝对时空观认为：‎ ‎(1)同时性是绝对的,是不随参考系的变化而变化的.‎ ‎(2)某事件经历的时间是不会因参考系不同而不同,即时间是绝对的.‎ ‎(3)空间也是绝对的,与物体的运动无关,与观测者是否运动也无关.‎ ‎(4)宇宙中存在一个绝对静止的惯性参考系.‎ ‎(5)两个观察者分别在不同的惯性系中,观察同一事物的结果时,可以通过伽利略变换将他们的观察结果联系起来.‎ ‎3.经典的相对性原理在电磁学领域里遭遇到了困惑,绝对时空观遭遇了著名的麦克逊—莫雷实验“零结果”事实的严峻挑战.‎ 名师解惑 ‎1.理解经典力学的相对性原理应注意什么问题?‎ 剖析:(1)惯性系和非惯性系:‎ 如果牛顿运动定律在某个参考系中成立,这个参考系叫做惯性系.相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系,匀速运动的汽车、轮船等作为参考系，就是惯性系.‎ 牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系.例如我们坐在加速的车厢里,以车厢为参考系观察路边的树木房屋向后方加速运动,根据牛顿运动定律,房屋树木应该受到不为零的合外力作用,但事实上没有,也就是牛顿运动定律不成立.这里加速的车厢就是非惯性系.‎ ‎(2)这里的力学规律指的是“经典力学规律”.‎ ‎(3)本原理可以有不同表示,比如: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另一个惯性系做匀速直线运动;或者说,任何惯性参考系都是平权的.‎ ‎2.“超光速”存在吗？‎ 剖析:根据麦克斯韦的电磁场理论可以直接得到真空中电磁波的速度是光速c，那么此速度相对于哪个参考系？如果它相对于参考系S是正确的，另外还有一个参考S′，S′相对于S以速度v运动，若依据速度合成法则，光相对于S′的速度应是c-v ，或者是c+v，而不是c，若是c+v，这不是就存在“超光速”了？‎ 我们经常讲速度是相对的，参考系选取不同，速度的值也不同，这是经典力学中速度的概念，但是，1887年麦克斯韦—莫雷实验中证明的结论是：不论取怎么样的参考系，光速都是一样的，也就是说光速的大小与选取的参考系无关.光的速度是从麦克斯韦方程组中推导出来的,它没有任何前提条件,所以这个速度不是指相对某个参考系的速度.‎ 事实上由相对论可知,光速为极限速度,是不变的.‎ 讲练互动 ‎【例题1】假设你正坐在一列火车的车厢中,你能想出几个办法来分辨火车是静止还是在做匀速直线运动.这些办法是否都同火车外的世界有某种联系?‎ 解析：根据经典力学的相对性原理,选列车车厢内的任一物体作为参考系是无法分辨火车是相对地球静止或做匀速直线运动,而选取列车以外的参考系则可以区分火车是静止或做匀速直线运动.‎ 答案：可以观察车外的景物,如车、房屋等这些相对地面静止的物体，看它们相对于车是否运动，如相对于车运动，则火车是运动的，如果不动，则火车是静止的，这些办法都必须同火车外的世界有联系.‎ 绿色通道 本题通过学生的日常生活体验,帮助学生认识经典力学相对性原理.‎ 做匀速直线运动的参考系是惯性参考系,在惯性系中所进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系本身是否相对另一个惯性系做匀速直线运动.‎ 变式训练 ‎1.如果你乘坐飞行器以接近于光速的速度沿直线匀速朝一星体飞行,如图‎6-1-1‎所示,你是否可以发觉自己乘坐的飞行器在运动?‎ 图‎6-1-1‎ 解析：根据相对性原理，如果飞行器是做匀速直线运动的，即没有任何加速度，则在其内部的人就无法知道飞行器是否在移动，即使飞行器有一个窗户，你从窗户向外看，看见某些东西在朝你移动，但仍不能确定是飞行器在向这些东西移动，还是这些东西在向飞行器移动.‎ 答案：不能 ‎【例题2】如图‎6-1-2‎所示,在列车车厢的光滑水平面上有一个质量为m=‎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?‎ 图‎6-1-2‎ 解析:对车上的观察者:‎ 物体的初速v0=0,加速度a==‎1 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==‎1 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.‎ 答案:‎10 m/s ‎30 m/s 绿色通道 在两个惯性系中,虽然观察到的结果并不相同,一个‎10 m/s,另一个‎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,力学规律在任何惯性系中都是相同的.‎ 变式训练 ‎2.下列关于经典力学的评价正确的是（ ）‎ A.经典力学揭示了自然界的运动规律,是不可否定的 B.经典力学的时空观符合我们周围的客观事实是完全正确的 C.经典力学只适用于宏观低速现象 D.经典力学既然有误,不能再用来解决我们日常生活的问题 解析：对经典相对性原理,需要注意的问题有两点:一是这里的规律是力学规律,不是一切规律;二是对所有的惯性参考系成立,而不是对所有参考系成立.对这两点一定要记清楚.‎ 答案:C 教材链接 例:阅读课本第119页有关迈克尔逊实验的介绍,谈谈你对该实验装置、实验内容、实验结论的认识.‎ 答：如图‎6-1-3‎所示,M1和M2是两面平面镜,互相垂直放置;G1是一面半镀银的镜子,它可以将单色平行光分为两束互相垂直的光束,一束沿M1的垂直方向入射与地球的运动方向垂直，一束沿M2的垂直方向入射与地球的运动方向一致;G2和G1是等厚的玻璃,保证射到M1和M2的两束光通过同样长度的空气和等厚的玻璃后经反射同时到达观察屏.‎ 图6-1-3‎ 如果两束光的光程一样，或者相差波长的整数倍，在观察屏上就是亮的；若两束光的光程差不是波长的整数倍，就会有不同的干涉结果，由于M1和M2不能绝对地垂直，所以在观察屏上可以看到明暗相间的条纹.如果射向M1和M2的光速不相同,就会造成干涉条纹的移动.我们知道地球的运动速度是很大的,当我们将射向M1的光路逐渐移向地球的运动方向时,应当看到干涉条纹的移动,实验结果,看不到任何干涉条纹的移动,因此,说明光在任何参考系中的速度是不变的,它的速度的合成不满足经典力学的法则,因此需要新的假设出现,为光速不变原理的提出提供有力的实验证据.‎