关于相对论的诞生的教案

15.1 相对论的诞生

【教学目标】

（一）知识与技能

1．理解经典的相对性原理以及光的传播与经典的速度合成法则之间的矛盾。

2．理解狭义相对论的基本假设。

（二）过程与方法

通过学习，提高分析物理现象与定理定律矛盾的能力。

（三）情感、态度与价值观

通过对本节内容的学习，认识科学假设在科学发现上的重要作用，进一步理解逻辑推理的力量。

【教学重点】狭义相对论的两个基本假设。

【教学难点】光速不变原理。

【教学方法】通过在具体实例中提出问题、揭示矛盾、引发学生思考，然后通过相对论假设进行逻辑推理，得出结论。

【教学用具】投影仪及投影片。

【教学过程】

（一）引入新课

师：请同学们回忆一下什么是惯性系？什么是非惯性系？举例说明。

生：牛顿运动定律能够成立的参考系叫惯性系，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。

师：很好，根据惯性系的概念，不难推出，相对于一个惯性系做匀速运动的另一个参考系也是惯性系。

（二）进行新课

1．经典的相对性原理

师：下面我们来研究一个简单的力学问题。（投影问题）

如图，在列车车厢的光滑水平面上有一个质量为m=0.5 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？

学生分析：对车上的观察者

物体初速度v0=0

加速度a= =10 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= =10 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

师：通过这个例子大家看到，在两个惯性系中，虽然观察到的结果并不相同，一个是10 m/s,另一个是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，我们相信：力学规律在任何惯性系中都是相同的。这就是伽利略相对性原理。在一个惯性参考系内的任何力学实验都无法判断这个参考系是否相对于另一个参考系做匀速运动或者说任何参考系都是平权的。

（教师还可引导学生举例说明相对性原理，并进行讨论）

2．相对性原理与电磁规律

师：请大家看课本图15.1－1，考虑几个问题：

（1）参考系O′相对于参考系O静止时，人看到的光速应是多少？

（2）参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动，人看到的光速应是多少？

（3）参考系O′相对于参考系O以速度v向左运动，人看到的光速又是多少？

生：第一种情况人看到的光速应是c，第二种情况应是c+v，第三种情况应是c-v。

师：说说你们判断依据。

生：根据速度合成的法则。

师：大家认为对吗？

（学生一致认为正确）

师：如果这个法则有问题呢？

（学生沉默）

师：实践是检验真理的标准，我们是不是可以通过实验来检验呢？回答是肯定的，这就是著名的麦克尔逊测定光速的实验，同学们应该有印象。

生：不论光源和观察者怎样运动，光速都是相同的。

师：这与我们从速度合成法则推导的结论发生了矛盾.问题出在哪里呢？

3．狭义相对论的两个基本假设

师：这一矛盾，不仅对我们的推理给予否定，还对麦克斯韦电磁场理论提出了挑战：要么否定特殊参考系O的存在，要么放弃麦克斯韦电磁场理论.爱因斯坦选择了后者，提出了两条假设：（投影）

（1）在不同的惯性系中，一切物理规律都是相同的。（爱因斯坦相对性原理）

（2）真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。（光速不变原理）

生：为什么这两个结论被称为假设呢？

师：虽然这两个假设可以由麦克尔逊实验直接推出，但这毕竟是有限的几次实验，只有用这个假设得出大量的结论与事实相符时，它们才能成为真正意义上的原理，这才是科学的态度。

（三）课堂总结、点评

本节课我们通过复习惯性系概念，理解了经典的相对性原理。

通过光速实验引起的困难，理解了光的传播与经典理论的矛盾。

学习了狭义相对论的两个基本假设。

（四）课余作业

完成P107“问题与练习”的题目。

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