初识相对论-教案

初识相对论

【教学目标】

一、知识与技能

1．初步了解狭义相对论的基本假设。

2．认识时间和空间的相对性。

3．了解狭义相对论的其他两个结论。

二、过程与方法

1．培养学生严密的逻辑思维习惯，激发学生进一步学习的愿望。

2．学习正确的认识方法：实践是检验真理的唯一方法。

三、情感、态度与价值观

通过对本节知识的分析，培养学生的逻辑思维能力，激发学生探索科学的精神。【教学重点】

狭义相对论的基本假设。

【教学难点】

1．狭义相对论的基本假设。

2．能辨析清楚在哪些情况下考虑相对论效应，哪些情况下不必考虑。

【教学过程】

一、新课导入

19世纪后半叶，关于电磁场的研究不断深入，人们认识到了光的电磁本质。我们已经知道，电磁波是以巨大且有限的速度传播的，因此在电磁场的研究中不断遇到一些矛盾，这些矛盾导致了相对论的出现。

相对论不仅给出了物体在高速运动时所遵循的规律，而且改变了我们对于时间和空间的认识，它的建立在物理学和哲学的发展史上树立了一座重要的里程碑。

二、新课教学

（一）经典的相对性原理

教师：生活中的相对性随处可见

教师举例：物体甲以3m/s向右运动，物体乙以2m/s向右运动，实际我们选什么做参考系的？

学生：地面。

教师：分别选地面和甲做参考系说出乙的运动情况？

学生：以地面为参考系，乙的速度大小为2m/s，方向向右，以甲为参考系，乙的速度大小为1m/s，方向向左。

教师：由以上实例我们归纳出两点内容：

（1）研究物体的运动必须选参考系。

（2）同一运动选不同参考系速度不一定相同。

教师：要研究物体运到必须涉及到参考系概念，我们已经掌握了惯性系概念。

学生：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。

教师：下面我们通过一段材料，在不同惯性系中研究物体运动情况。

教师组织学生分组讨论完成：

问题1．两种不同的惯性参考系中观察到的各种现象有变化吗？所遵守的力学规律都相同吗？

问题2．在一个惯性参考系内进行的任何力学实验能不能判断这个惯性系相对于另一个惯性参考系做匀速直线运动？

教师提问：伽利略相对性原理有两种表述各是什么？

学生回答：1．力学规律在任何惯性系中都是相同的。

2．在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动；或者说，任何惯性系都是平权的。

（二）相对性原理与电磁规律

教师：相对性原理简单自然，取得了巨大的成就，而且与生活经验一致。因此很长时间没有人怀疑，甚至思考过相对性原理。然而相对性原理在电磁学领域，研究光速问题遇到了麻烦。

教师问题：相对性原理和电磁理论的矛盾是什么？

学生回答：麦克斯韦的电磁理论光速恒定，并不涉及参考系问题，相对性原理得出光速并不是对任何惯性系都一样。

教师提问：光相对参考系s和s’的速度分别多少？

学生回答：光相对参考系s的速度是v，光相对参考系s’的速度是c-v。

教师：光速相对不同惯性系并不一定相同。

教师通过课件演示，进一步深化经典相对性原理对光速问题解释。

教师提问：麦克斯韦的电磁理论对光速问题的解释是什么？

学生回答：麦克斯韦的电磁理论光速恒定，并不涉及参考系问题。

教师设问：麦克斯韦的电磁理论真空中电磁波速是光速c是指在那个参考系中来说呢？有无这样的特殊的参考系呢？实验过程及事实是怎样的呢？

教师引出麦克尔逊—莫雷实验。

教师介绍实验器材：光源、分光镜、反射镜M1、反射镜M2

教师通过师生互动介绍实验背景和实验过程：19世纪流行着一种“以太”学说，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，并把“以太”看作绝对惯性系，地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，相对以太速度也应该是每秒30公里，同时，它也必须对光的传播产生影响。假设以太相对太阳静止，仪器在实验坐标系中相对于以太以公转轨道速度v向右运动。由经典相对性原理光源发光经分光镜分成两束光，光束1自左向右的速度为c+v，光束1经反射镜M1反射速度为c-v，再经分光镜投射到观测屏。光束2自下向上与经反光镜M2反射自上向下的速度应该都为√c2−v2，再经分光镜投射到观测屏。由于两束光光程相同，两个方向合速度不同，经典相对性原理得出两束光到达观测屏时间应该不同。

教师提供视频演示麦克尔逊—莫雷实验，并进一步介绍两束光在观测屏形成干涉条纹。通过分析干涉条纹，得出两个方向光速相同。

实验结果：证明了光速与光源和测量者的相对运动无关，亦即与参照系无关。否定了以太的存在。

学生讨论：当实验事实和现有理论出现矛盾的时候物理学家有几种选择。

一是修改现有理论以迎合新的客观事实；二是创新全新的理论。

（三）狭义相对论的两个基本假设

教师指导学生学习狭义相对论的两个基本假设。

教师提问：狭义相对论的两个基本假设是什么？

学生回答：

1．相对性原理

所有物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。

2．光速不变原理

在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c都一样（c=3×108m/s）。

教师介绍：就现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。

教师引导学生归纳并讨论：对狭义相对论两个基本原理的正确理解。

①自然规律不仅包括力学规律，还包括电磁学规律等其他所有的物理学规律；

②强调真空中的光速不变指大小既不依赖于光源或观察者的运动，也不依赖于光的传播方向。

③几十年来科学家采用各种先进的物理技术测量光速，结果都不违背光速不变原理。物理规律必须以事实为依据。

教师问题：狭义相对论的两个基本假设，都有实验证实，为什么还要做假设？

学生回答：有限的几个实验，不能做出概括性的结论，只有再从这两个假设出发，经过逻辑推理（包括数学推导）所得出的大量结论都与事实相符，那时它们才能成为真正意义上的原理。就类似于数学中科学归纳法。

教师引导学生阅读：相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难被普通人所理解。人们都称赞爱因斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟大的内容。这使人们想起英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句：

自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，

上帝说：“让牛顿去吧，”

于是一切都成为光明。

后人续写道：上帝说完多少年之后，

魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，”

于是一切又回到黑暗中。

教师向学生推荐相对论入门书目：

《从零学相对论》梁灿斌

《时间简史》斯蒂芬·霍金

《狭义与广义相对论浅说》爱因斯坦

三、课堂交流讨论

1．在封闭汽车的内部，请你设计一个力学实验，来判断汽车是加速还是匀速？这与狭义相对性原理冲突吗？

2．教室日光灯同时向同方向放出两个光子，相对教室学生光子速度？一个光子相对另一光子速度？

【练习巩固】

1．有甲、乙两人，甲以2m/s的速度向东直线行走，乙以1.5m/s的速度向西直线行走，则甲相对于乙的速度大小为（）

A．2m/s

B．1.5m/s