物理實驗的智慧光芒 課件 頭腦里的颶風(fēng)-思想實驗

頭腦里的颶風(fēng)-思想實驗第一節(jié).牛頓拋體實驗（1666年）第二節(jié).牛頓的水桶實驗（1687年）第三節(jié).奧伯斯佯謬（1826年）第四節(jié).愛因斯坦追光實驗（1895年）第五節(jié).孿生子佯謬（1911年）第六節(jié).愛因斯坦電梯實驗（1907年）頭腦里的颶風(fēng)-思想實驗第一節(jié)牛頓拋體實驗艾薩克·牛頓（IssacNewton，1643－1727）英國物理學(xué)家、天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家，經(jīng)典物理學(xué)的奠基人。牛頓在不朽巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中總結(jié)了前人和自己關(guān)于力學(xué)以及微積分學(xué)方面的研究成果，其中含有三條牛頓運動定律和萬有引力定律，以及質(zhì)量、動量、力和加速度等概念，為經(jīng)典力學(xué)的大廈構(gòu)建堅實的基礎(chǔ)。平拋蘋果落地的時間與初始速度無關(guān)高速度平拋時間計算圖示因為重力，不做水平直線運動，而是拋物線下落速度越大，落點越遠速度足夠大，拋體繞地旋轉(zhuǎn)，如同月亮蘋果落地與月亮繞地球，力是統(tǒng)一的偉大意義：1.把天上的力學(xué)和地上的力學(xué)統(tǒng)一起來，實現(xiàn)了物理學(xué)發(fā)展史上第一次大綜合。2.建立萬有引力定律的基礎(chǔ)。3.奠定了現(xiàn)代航空航天事業(yè)的基礎(chǔ)。第二節(jié)牛頓的水桶實驗（1）開始時，桶旋轉(zhuǎn)得很快，但水幾乎靜止不動。在粘滯力經(jīng)過足夠的時間使它旋轉(zhuǎn)起來之前，水面是平的，完全與水桶轉(zhuǎn)動前一樣。（2）水和桶一起旋轉(zhuǎn)，水面變成凹狀的拋物面。（3）突然使桶停止旋轉(zhuǎn)，但桶內(nèi)的水還在轉(zhuǎn)動，水面仍然保持凹狀的拋物面。結(jié)論空間是絕對的。牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中說過：絕對空間，就其本性而言，與外界事物無關(guān)，永遠是相同的和不動的。物理學(xué)家馬赫在馬赫看來：物體的運動都不是相對于絕對空間，而是相對于別的物體而言的，相對于絕對空間的絕對運動是不存在的。離開了物體之間的相互關(guān)系，說物體的運動是毫無意義的。馬赫還認為：所有一切都是相對的，所有的質(zhì)量，所有的速度，所有的力都是相對的。所以他認為牛頓轉(zhuǎn)動的水桶是相對于其它天體的相對運動，“水面沿桶壁的升高是離心力的作用的結(jié)果，也可以看作相對慣性力的作用，而這個慣性力是無數(shù)遙遠天體對水面的引力的作用，所以慣性力本質(zhì)上就是引力。”馬赫認為：不存在以太和絕對空間，一切運動都是相對的。狹義相對論創(chuàng)立馬赫認為：慣性效應(yīng)起源于物質(zhì)間相對加速產(chǎn)生的相互作用慣性力可能與萬有引力有相同或相似的起源，都起源于物質(zhì)間的相互作用，創(chuàng)立廣義相對論。馬赫原理第三節(jié)奧伯斯佯謬奧伯斯(HeinrichWilhelmMatthäusOlbers，1758—1840)，德國天文學(xué)家、醫(yī)生及物理學(xué)家。在1802年，奧伯斯發(fā)現(xiàn)并命名了智神星，5年后，再發(fā)現(xiàn)灶神星，這次他讓高斯來命名此小行星。在1815年3月6日，他又發(fā)現(xiàn)了一顆周期彗星13P/Olbers（奧伯斯彗星）。奧伯斯佯謬示意圖整個無限宇宙中有無限多重球殼，對O點產(chǎn)生的總照度為

天空為什么是黑暗的呢？這個思想實驗涉及四大命題：宇宙是無限的。宇宙中到處都有大致分布均勻的恒星，恒星的總數(shù)是無限的。宇宙是靜止的，沒有變化。宇宙存在的時間是無限長的。這四個命題導(dǎo)致奧伯斯佯謬的產(chǎn)生，至少要推翻一個命題，才能解決矛盾，擺脫佯謬。1917年愛因斯坦以引力場方程為依據(jù)，提出一個有限無界靜止宇宙模型推翻了奧伯斯佯謬的第一個命題后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，宇宙還是膨脹的伽莫夫提出的宇宙創(chuàng)生理論，大爆炸模型，宇宙大約開始于137億年前，推翻了第四個假設(shè)推翻了第三個命題第四節(jié)愛因斯坦追光實驗愛因斯坦（AlbertEinstein，1879—1955），出生于德國烏爾姆市的一個猶太人家庭（父母均為猶太人）。1900年畢業(yè)于瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院，入瑞士國籍。1905年，愛因斯坦獲蘇黎世大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位，并提出光子假設(shè)、成功解釋了光電效應(yīng)（因此獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎）；同年創(chuàng)立狹義相對論；1915年創(chuàng)立廣義相對論。1933年移居美國、在普林斯頓高等研究院任職，1940年加入美國國籍同時保留瑞士國籍。1999年12月，愛因斯坦被美國《時代周刊》評選為20世紀的“世紀偉人”。愛因斯坦在16歲時問的一個簡單問題：如果你能趕上一束光的話，它看起來會像什么樣子呢？這個問題思考了10年追光實驗牛頓是在那個時代一位具有最高思維能力和創(chuàng)造力的人麥克斯韋是繼牛頓之后最偉大的物理學(xué)家兩個愛因斯坦認為最偉大的物理學(xué)家的理論，在遇到光時出現(xiàn)了矛盾。光波將在空間凍結(jié)凍結(jié)不傳播的電磁場不存在以太不存在光速不變原理狹義相對論建立相對性時空觀，建立起四維時空同時性的相對性、時間量度的相對性、空間量度的相對性相對論質(zhì)量，相對論動力學(xué)質(zhì)量的相對性、質(zhì)能關(guān)系愛因斯坦論動體的電動力學(xué)1905年愛因斯坦發(fā)表《論動體的電動力學(xué)》第五節(jié)孿生子佯謬《論動體的電動力學(xué)》時間量度的相對性——鐘慢效應(yīng)固有時間:在某慣性系中,同一地點先后發(fā)生的兩個事件之間的時間間隔。固有時間最短一個運動時鐘的“1秒”比一系列靜止時鐘的“1秒”長，這稱為運動時鐘的“時間膨脹”或“時間延緩”。這意味著：運動的鐘C

變慢了——鐘慢效應(yīng)。物體運動速度越大，所觀察到的它的內(nèi)部物理過程進行的越緩慢這種效應(yīng)是時空的基本屬性引起的，與鐘的具體結(jié)構(gòu)無關(guān)，不是哪一個鐘不準確時間的本質(zhì)屬性，宇宙中沒有一個單一的“真實時間”，并沒有“普適時間”，只有小明的時間、小紅的時間，和其他一切可能的被某個觀察者觀察到的時間1911年，法國物理學(xué)家郎之萬（a）雙生子告別；（b）哥哥乘坐飛船星際旅行，弟弟留守地球；（c）幾十年后飛船歸來；（d）兄弟相見，哥哥依然年輕，弟弟已然白發(fā)老人孿生子佯謬對于飛船上的哥哥來說，地球上的弟弟在運動，時間變慢，更加年輕到底誰年輕？孿生子佯謬的世界線圖中的A線就是雙胞胎中留在地球的兄弟的世界線。對于星際旅行者來說，他的飛船先加速，接近外星球時減速，降落，然后再啟動返回地球，先加速，接近地球時減速，降落，預(yù)留在地球上的同胞兄弟相會，他的世界線是圖中的B線。雙胞胎兄弟的世界線不一樣長，兩人經(jīng)歷了不同的時間。這兩根線的長度顯然不一樣，誰的世界線更長，誰就更老。在歐幾里得空間中，兩點之間直線最長，曲線反而比直線要短了出去旅行的人年輕，而地球上的人老。第六節(jié)愛因斯坦電梯實驗有一天，突破口突然找到了。當(dāng)時我正坐在伯爾尼專利局辦公室里，腦子里忽然閃現(xiàn)一個念頭，如果一個人正在自由下落，他絕不會感覺到自己有重量。我吃了一驚，這個簡單的思想實驗給我的印象太深了。他把我引向了引力理論。。。。。。伯爾尼專利局時期的愛因斯坦愛因斯坦電梯思想實驗1.電梯靜止在一個引力場強為a的星球表面2.電梯在無引力場的外太空以加速度a運動設(shè)想觀測者在封閉電梯里得不到任何外界消息，看到物體自由下落，下落加速度a與物質(zhì)組成無關(guān)，無法判斷：1.電梯在引力場中自由下落2.電梯在無引力場的外太空中作慣性運動當(dāng)觀測者感到自己和電梯內(nèi)一切物體都處于失重狀態(tài)時，同樣無法判斷等效原理導(dǎo)致無