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1、高中物理精品教案学案第二讲 相对论初步知识相对论是本世纪物理学的最伟大的成就之一，它标志着物理学的重大发展，使一些物理学的基本概念发生了深刻的变革。狭义相对论提出了新的时空观，建立了高速运动物体的力学规律，揭露了质量和能量的内在联系，构成了近代物理学的两大支柱之一。2. 1 狭义相对论基本原理2、1、1、伽利略相对性原理1632年，伽利略发表了关于两种世界体系的对话一书，作出了如下概述：相对任何惯性系，力学规律都具有相同的形式，换言之，在描述力学的规律上，一切惯性系都是等价的。这一原理称为伽利略相对性原理，或经典力学的相对性系原理。其中“惯性系”是指凡是牛顿运动定律成立的参照系。2、1、2、狭
2、义相对论的基本原理19世纪中叶，麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁理论，又称麦克斯韦电磁场方程组。麦克斯韦电磁理论不但能够解释当时已知的电磁现象，而且预言了电磁波的存在，确认光是波长较短的电磁波，电磁波在真空中的传播速度为一常数，并很快为实验所证实。从麦氏方程组中解出的光在真空中的传播速度与光源的速度无关。如果光波也和声波一样，是靠一种媒质（以太）传播的，那么光速相对于绝对静止的以太就应该是不变的。科学家们为了寻找以太做了大量的实验，其中以美国物理学家迈克耳孙和莫雷实验最为著名。这个实验不但没能证明以太的存在，相反却宣判了以太的死刑，证明光速相对于地球是各向同性的。但是这
3、却与经典的运动学理论相矛盾。爱因斯坦分析了物理学的发展，特别是电磁理论，摆脱了绝对时空观的束缚，科学地提出了两条假设，作为狭义相对论的两条基本原理：1、狭义相对论的相对性原理在所有的惯性系中，物理定律都具有相同的表达形式。这条原理是力学相对性原理的推广，它不仅适用于力学定律，乃至适合电磁学，光学等所有物理定律。狭义相对论的相对性原理表明物理学定律与惯性参照系的选择无关，或者说一切惯性系都是等价的，人们不论在哪个惯性系中做实验，都不能确定该惯性系是静止的，还是在作匀速直线运动。2、光速不变原理在所有的惯性系中，测得真空中的光速都等于c，与光源的运动无关。迈克耳孙莫雷实验是光速不变原理的有力的实验
4、证明。事件 任何一个现象称为一个事件。物质运动可以看做一连串事件的发展过程，事件可以有各种具体内容，如开始讲演、火车到站、粒子衰变等，但它总是在一定的地点于一定时刻发生，因此我们用四个坐标（x，y，z，t）代表一个事件。间隔 设两事件（）与（），我们定义这两事件的间隔为间隔不变性 设两事件在某一参考系中的时空坐标为（）与（），其间隔为在另一参考系中观察这两事件的时空坐标为（）与（），其间隔为由光速不变性可得这种关系称为间隔不变性。它表示两事件的间隔不因参考系变换而改变。它是相对论时空观的一个基本关系。2、1、3、相对论的实验基础斐索实验 上世纪人们用“以太”理论来解释电磁现象，认为电磁场是一种
5、充满整个空间的特殊介质“以太”的运动状态。麦克斯韦方程在相对以太静止的参考系中才精确成立，于是人们提出地球或其他运动物体是否带着以太运动？斐索实验（1851年）就是测定运动媒质的光速实验。其实验装置如图21所示；光由光源L射出后，经半透镜P分为两束，一束透过P到镜，然后反射到，再经镜到P，其中一部分透过P到目镜T。另一束由P反射后，经镜、和再回到P时，一部分被反射，亦到目镜T。光线传播途中置有水管，整个装置是固定于地球上的，当管中水不流动时，两光束经历的时间相等，因而到达目镜中无位相差。当水管中的水流动时，两束光中一束顺水流传播，一束逆水流传播。设水管的长度皆为l，水的流速为v，折射率为n，光
6、在水中的速度为。设水完全带动以太，则光顺水的传播速度为，逆水为；若水完全不带动以太，光对装置的速度顺逆水均为；若部分被带动，令带动系数（曳引系数）为k，则顺水为，逆水为，k 多少由实验测定，这时两束光到达目镜T的时差为 斐索测量干涉现象的变化，测得，所以光在介质参考系中的传播速度为 M2M3TLM1P图2-1-1式中是光线传播方向与介质运动方向间的夹角。现在我们知道，匀速运动介质中的光速可由相对论的速度合成公式求得，设介质（水）相对实验室沿X轴方向以速度v运动，选系固定在介质上，在上观察，介质中的光速各方向都是，所以光相对实验室的速度u为。由此可知，由相对论的观点，根本不需要“以太”的假说，更
7、谈不到曳引系数了。迈克尔孙莫来实验 MSTM1M2 图2-1-2迈克尔孙莫来于1887年利用灵敏的干涉仪，企图用光学方法测定地球的绝对运动。实验时先使干涉仪的一臂与地球的运动方向平行，另一臂与地球的运动方向垂直。按照经典的理论，在运动的系统中，光速应该各向不等，因而可看到干涉条纹。再使整个仪器转过900，就应该发现条纹的移到，由条纹移动的总数，就可算出地球运动的速度v。迈克尔孙莫来实验的装置如图2-1-2所示，使一束由光源S射来的平行光，到达对光线倾斜450角的半镀银镜面M上，被分成两束互相垂直的相干光。其中透射部分沿方向前进，被镜反射回来，到M上，再部分地反射后沿MT进行；反射部分沿方行进行
8、，被镜反射回来后再到达M上，光线部分透过，也沿MT进行。这两束光在MT方向上互相干涉。而在T处观察或摄影，由于臂沿着地球运动方向，臂垂直于地球运动方向，若= =，地球的运动速度为v，则两束光回到M点的时间差为当仪器绕竖直轴旋转900角，使变为沿地球运动方向，垂直于地球运动方向，则两束光到达M的时差为我们知道，当时间差的改变量是光波的一个周期时，就引起一条干涉条纹的移动，所以，当仪器转动900后，在望远镜T处看到的干涉条纹移动的总数为，式中是波长，当l=11米，所用光波的波长则N0.4，这相当于在仪器旋转前为明条纹，旋转以后几乎变为暗条纹。但是他们在实验中测得N，而且无论是在白天、夜晚以及一年中
9、的所有季节进行实验，始终得到否定的结果，就是说光学的方法亦测不出所在参考系（地球）的运动状态。 高考必背物理公式质点运动1.匀速直线运动：- - v表示速度，s表示位移，t表示时间。2.变速直线运动：- 其中：s表示位移，表示平均速度，t表示时间。3.匀变速直线运-基本公式： 导出公式： 纸 带 法 ： 4.平抛运动：沿V0方向 沿垂直于V0方向（竖直）- - -各量方向-位移：-速度：其余量的求法：-位移： -速度： -时间：5.匀速率圆周运动：-基本公式：-运动快慢-线速度： 其中：s为t时间内通过的弧长。-转动快慢-角速度： 其中：为t时间内转过的圆心角。-周期： -向心力：-向心加速度
10、：力的表达式1.重力-不考虑地球自转的情况下 ，重力与万有引力相等 2.弹力-不明显的形变-用动力学方程求解； 明显的形变-在弹性限度以内，满足胡克定律：3.摩擦力-静摩擦力- 最大静摩擦力：其中：为最大静摩擦因数。-滑动摩擦力- 其中：为动摩擦因数，FN为正压力。4.力的合成和分解-合力的大小：其中：为F1与F2的夹角；-合力的方向：6.核力：组成原子核的核子之间的作用力。 强力、短程力7.电场力：-库仑力： -电场力：8.安培力：-当;当。 -方向用左手定则判断。9.洛仑兹力：- ； 若；方向用左手定则判断。牛顿运动定律、万有引力定律1.牛顿第二定律- 2.牛顿第三定律-3.万有引力定律
11、G=6.67*10-11牛顿米2/千克2 条件：均匀球体或者质点。4.星体运动：万有引力提供向心力，所以：-= 卫星绕行星的环绕速度：-其中：M为行星的质量。卫星绕行星的公转周期：-其中：r 为轨道半径=R+h黄金替代：-其中：R为地球半径；g为地球表面的重力加速度。用近轨道卫星的周期表示行星的密度：- 双星问题：它们之间的引力提供了他们的圆周运动的向心力，-角速度：-向心力：- 到圆心的距离：- 同步通讯卫星：在赤道正上方36000千米处；角速度、周期与地球的相同；卫星变轨：内小（近心）外大（离心）。动量、动量守恒定律1.动量：-定义式：-改变量： 2.动量守恒定律： -系统的动量的增量为零
12、； -第二个物体的动量的增量等于第一个物体的动量的减小量； - 常用具体等式： -条件-系统：能量1.功-恒力功：；-变力功： 2.滑动摩擦力功：是路程；且滑动摩擦力功生热E3.功率：-平均功率 -瞬时功率其中：F为牵引力。4.动能定理：-其中：5.重力势能：6.机械能守恒定律-物体：或者条件-系统：-条件：只是系统内部的动能和势能的转化，不产生其它形式的能。电场中的公式1.库仑定律：-其中：K是静电力常量K=9.0*109牛顿.米2/库仑22.电场强度：定义式： 其中：q为试探电荷，对于电场中的某一点有：，普遍适用。量度式1： 其中：Q为场源电荷，r为该点到场源电荷的距离，只适用于真空中点电
13、荷形成的电场。量度式2： 其中：U为两点间的电势差，d为距离，只适用于匀强电场。3.电势差 - -电场力做功： 4.电势能 - 电场力做功与电势能的关系：5.某带电粒子只在重力和电场力作用下：6.静电场中平衡导体：-等势体： -内部场强为零： 。7.电容器：-电容定义式： ； -平行板电容器电容决定式：其中在这里是介电常数；电容器的两极板与其它断开时，电量不变，且有： 与d无关。电容器与电源相连时，两极板电压不变；它两端的电压等于与它并联的电路的电压， 在稳恒直流电路中与它串联的电阻是无用电阻。8.电荷只在电场力的作用下的加速：；当9.电荷只在电场力的作用下的偏转： - - -电场力： -加速
14、度： -穿过长电场所用时间：-偏转速度大小： -速度偏转方向：-偏转位移大小： -位移偏转方向：稳恒电流1.电流：-定义式： -微观描述：其中：n为单位体积内自由电荷数，v是自由移动电荷的定向移动速度，s是导体的横截面积，q是自由移动电荷的带电量。2.电阻：-定义式： -导体决定式：3.部分电路欧姆定律：- -适用条件：纯电阻电路4.闭合电路欧姆定律：-闭合电路欧姆定律 ： 5.电动势、内电压、路端电压的关系：-电动势等于开路时电源两端的电压。路端电压： 随外电阻的增大而增大。6.电功：(普遍适用) -纯电阻电路中7.电功率: (普遍适用) -纯电阻电路中8.电源输出功率:当 R = r 时,输出功率最大且9.某电机的输入功率: ,热功率: ,输出功率:.10.串联电路:-
