人教版高一物理必修二天体运动之相对论介绍PPT课件

爱因斯坦时期学习的是有着近300年历史的牛顿力学。牛顿力学解释了引力作用，我们知道物体的自由落体运动是因 为地球引力，但牛顿自己也发现自己的公式并不能解释所有的力，因为并不是只有自由落体的物体才会运动。牛顿的 这个疑问直到19世纪才得到解答，一直到人们发现电磁力提出了“场”的概念。我们知道1831年法拉第提出了电磁感 应定律，同年麦克斯韦出生，后来两人成为了忘年交，两个人共同构筑了电磁学的科学理论体系。我们重点来说一下 麦克斯韦，麦克斯韦通过自己的方程组预言了电磁波的存在，还推导出了电磁波的传输速度接近于每秒钟30万公里。 这与当时测量的光速十分接近，进而证明了光也是一种电磁波。相对论的主要矛盾就要从这里说起。麦克斯韦的方程 组说光速应该是一个恒定值，但在信奉经典伽利略相对性的人看来这是不可理喻的。按照伽利略的相对性，两个人向 相反方向走，一个人的速度是3m/s，另一个人的速度是4m/s，那么两个人的相对速度应该是7m/s才对，所以光速怎么 可能是恒定值？这里还要说到另外一个理论—以太学说。以太理论的提出实际上是为了解决物理学的两大疑问，第一 个疑问，当时的物理学界认为任何物质的传播都需要介质，可是光为什么可以在真空中传播呢？
那么迈克尔逊莫雷实验中的光速恒定到底是为什么呢？ 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。 正是因为物理学界出现了巨大的分歧，才给了爱因斯坦统一力学的机会，爱因斯坦的聪明之处在于既然我们无法和事 实争辩那么就一定是我们的常识出现了错误。于是灵机一动既然想不通那就不想了直接把光速恒定变成原理，既然找 不到绝对静止的物质那就不找了，我们只研究相对性并且把伽利略的相对性扩大，从力学扩展到所有自然定律。所以 爱因斯坦就有了狭义相对论的两条基本假设，第一条假设：凡是相对于彼此是一致运动的参考系，光在期间真空中的 速度都一样。第二条假设：凡是相对于彼此是一致运动的参考系所有自然定律都一样（一致运动指的是相对静止或者 匀速运动的参考系）而狭义相对论的所有理论都是基于这两条假设产生的。
在菲茨杰拉德和洛伦兹的想象中，路程是因为受到了以太风的压力才收缩的 ，可爱因斯坦却不这么认为，他认为造成路程压缩的是运动本身，我们都知 道v=s/t，如果想使速度不变我们只能同时调整两个参数s和t，是否可能存在 这样一种现象即在不同观察者看来，两者的路程和时间都会不一样呢？因此 爱因斯坦的基本设定初步获得了两个果实，一个是时间膨胀效应（即动钟变 慢），一个是长度收缩效应（即动尺变短）。这两个果实在当时的世界观是 具有颠覆性的，因为人们一直相信世界上存在着一个宇宙时间，人们公用着 这个时间。不过在爱因斯坦看来时间是独立的，彼此的时间因运动速度不同 而产生了差异。接下来我们就具体来看一下如何理解时间膨胀和长度收缩效 应。
然而深信着以太理论的人们仍然在寻找最后的反击。1892年一个叫菲茨杰拉德的爱尔兰人提出了一 个假说叫做“菲茨杰拉德收缩”他认为以太风的压力会压缩物质，因此正面对着以太风的光并不是光 速不变的，而是由于以太风的压力使光速和路程都变小了，所以时间才不变。但这个假说并不能反 正，因为如果你想测出这段距离就必须保持和这段路程有相同的速度和方向，因此测量的尺子也被 压缩了。一年之后荷兰物理学家洛伦兹用数学公式描述了菲茨杰拉德的假说，也就是我们今天听到 的洛伦兹变换。
所以以太理论猜测真空当中并不是什么都没有，而是存在一种物质以太。第二个疑问也就是我们刚才说的伽利略相 对性。起初我们认为地球是静止的，后来发现地球绕着太阳转。我们又认为太阳是绝对静止的，后来又发现太阳在 银河系中也是不停运动的。直到后来又发现从另一个星系来看银河系也在运动。所以人类一直在寻找一个绝对静止 的物体，以太学说则完美的解决了这一问题，人们猜测以太就是一直寻找的世界上绝对静止的物质。以太理论说的 就是：宇宙当中充斥着一种看不见摸不着，无色无味也没有任何属性的物质叫做以太，正是因为以太的存在光才能 够在真空当中传播。当然这套理论在我们今天看来是很荒谬的，可在当时引起了不小的轰动，直到后来有两个人做 了一个实验宣告以太理论的失败，这两个人就是迈克尔逊和莫雷。1887年迈克尔逊和莫雷在美国克利夫兰做了一 个用迈克尔逊干涉仪测量两垂直光的光速差值的著名实验，结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的， 由此否定了以太的存在，从而动摇了经典物理学的基础，成为近代物理学的一个开端，在物理学的发展史故事的主人公大家都很熟悉——阿尔伯特￭爱因斯坦，这个智商最高的人也有着和普通人一样的童年，爱因斯坦是一个 反抗权威的人，他被父母留在德国上高中，但他觉得德国的教育体系过于死板充满了军国主义，所以他就辍学了。随 后跟随自己的父亲去了意大利，他的父亲在意大利开了一个发电厂，而在当时电磁学成熟了并没有几年，不过却对人 们工业的发展带来了翻天覆地的变化。随后爱因斯坦又游手好闲了几年，然后去了瑞士学习，毕业之后也没有读研而 是去了专利局当了一个普通的职员相当于现在的公务员。但也正是这份很闲的工作给了爱因斯坦充分的思考时间。 1905年年仅25岁的爱因斯坦写了5篇论文，其中有三篇论文投给了当时物理学界著名的期刊《物理学年鉴》，这三篇 论文在我们现在看来每一篇都足以获得诺贝尔物理学奖。第一篇论文爱因斯坦计算了原子的大小，证明了物质即微粒 的观点是正确的。第二篇奠定了量子力学的基础。第三篇也是我们主要要说的，介绍了相对论思想即《论动体的电动 力学》，后人称作“狭义相对论”。狭义相对论到底讲了些什么？在讲狭义相对论之前我们先来介绍下所有铺垫狭义 相对论的理论基础。