鲁科版(2019)新教材 高中物理必修2 第5章科学进步无止境第1节初识相对论课件(共14张PPT)

(共14张PPT)
初识相对论
I. Newton (1642-1727)
物理学的大综合
J. C. Maxwell (1831-1879)
力
热
声
光
电
磁
经典物理学
伽 利 略
（1564-1642）
牛顿
（1643-1722）
麦克斯韦
（1831-1879）
…
…
…
物理学关键概念的发展
1600
1900
1800
1700
力学
热力学
电磁学
2000
相对论
量子力学
爱因斯坦
（1879-1955）
…
…
以牛顿力学和麦克斯韦电磁场理论为代表的经典物理学，到20世纪初，已经取得了空前的成就。人类对物质世界的认识，已从宏观低速物体的运动规律逐渐扩展到高速传播的电磁波（包括光波）的场物质运动规律。
随着对物质运动多样性的认识范围逐步扩大和深入的同时，也引起了对物质运动统一性问题的思考。
1900年,著名物理学家开尔文在元旦献词中的名言：
“ 在物理学的天空，一切都已明朗洁净了，只剩下两朵乌云，一朵与麦克耳孙-莫雷实验（寻找“以太”）有关，另一朵与黑体辐射有关。”
但他却没有料到，这两朵小小的乌云正孕育着一场暴风雨，并促成了近代物理学的两大理论支柱 相对论和量子力学的诞生。
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。
或者说，任何惯性系都是平权的。
牛顿力学和伽利略相对性原理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中的巨大功劳；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。
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，它是光波传播时所需要的介质，这种介质绝对静止、密度极小、硬度极大、完全透明，充满宇宙空间，渗透一切物体。拿以太做参考系时麦克斯韦的电磁理论才成立．
低速世界的速度合成示意图：
同向
反向
同样道理，假设光相对“以太”的传播速度为c,地球相对于“以太”的运行速度为v,当光速c与地球速度v的方向相同时，则静止在地球上的人观测到该光的速度为c-v,当光速c与地球速度v相反时，则该人观测到该光的速度为c+v.如果能通过实验测量到这种差别，就能证明“以太”的存在。麦克尔逊实验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。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．
麦克尔孙-莫雷实验
任何参照系中测得的光在真空的速率都应该是这一数值
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。爱因斯坦选择了后者．并提出了两个假设：
二、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
一、相对性原理表明：在某个惯性系中描述某个物理系统的某个物理过程的物理定律，在其他一切惯性系中对该系统作出描述的物理定律皆保持形式不变。
在匀速飞行的飞机上观测，上抛小球的运动遵循匀变速直线运动的规律，那么在地面上或其他惯性参考系中观测，小球上抛的运动仍遵循同样形式的匀变速直线运动的规律。
对两个基本原理的正确理解
二、光速不变原理表明：在一切惯性系中观察真空中传播的光，其传播速度均为c，与光源或观察者的运动无关。
（这一结论已被大量实验包括迈克尔孙-莫雷实验证实）
假设在真空环境中，静止在匀速运行列车中的观测者与静止于地面的观测者，测得手电筒发出的光的速度大小都是c.
[例1] 关于狭义相对论，下列说法不正确的是(　　)
A.狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的
B.狭义相对论认为在一切惯性系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关
C.狭义相对论只涉及无加速运动的惯性系
D.狭义相对论任何情况下都适用
解析　根据狭义相对论的基本假设可知，选项A、B正确；狭义相对论只涉及惯性参考系，不涉及非惯性参考系，选项D错误，C正确。
答案　D
[例2] 以下说法中正确的是(　　)
A.经典物理中的速度合成公式在任何情况下都是适用的
B.经典物理规律也适用于高速运动的物体
C.力学规律在一个静止的参考系和一个匀速运动的参考系中是不等价的
D.力学规律在任何惯性系里都是等价的
解析　在所有惯性系中，一切力学规律都是等价的，故D正确，C错误；经典物理规律是狭义相对论在低速状态下的一个近似，所以经典物理规律只适用于低速运动的物体，而经典物理中的速度合成公式也只适用于低速情况，故A、B均错误。
答案　D