第十五章 相对论 教学建议 宋诗伟

4．初步了解广义相对性原理和广义相对论 等效原理。 (1)狭义相对论无法解决的问题： 万有引力的作用以什么速度传播？ 为什么惯性系具有特殊的地位？ (2)广义相对性原理和等效原理： 在任何参考系中，物理规律都是相同的 一个均匀的引力场与一个做匀加速运动 的参考系等价
5．初步了解广义相对论的时空结构及重要
第十五章 相对论简介
教学建议
北京二十中学 宋诗伟
教材地位
狭义相对论建立以前的整个物理学体系都 是建立在绝对时空概念的基础上的，狭义相对 论的建立，带来了一系列经典概念的变革，建 立了崭新的时空观，相对论认为，有物质才有 时间和空间，时间和空间与物体的运动状态有 关。相对论在天体物理、粒子物理等许多领域 的成功应用使之成为建立新的宇宙观、物质观、 运动观的基础，成为具有广泛影响的基础知识， 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 。
教学课时建议
建议本章共用3课时 第1课时：相对论的诞生 第2课时：时间和空间的相对性 第3课时：狭义相对论的其他结论 广义相对论简介
第一节
相对论的诞生
一、学习要求 1.知道相对性原理和光速不变原理。 2.知道麦克耳孙——莫雷实验是光速不 变原理的实验基础。
第一节 相对论的诞生
二、教学建议
1.做好从伽利略相对性原理到爱因斯坦相对 性原理的过渡。 （1）从伽利略大船实验理解伽利略相对性原 理的三种描述： 力学规律在任何惯性系中都是相同的 在一个惯性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另一个做匀速直 线运动 任何惯性参考系都是平权的
教学指导思想
爱因斯坦的相对论素以博大精深、深奥难 懂著称，在教学中，只要学生理解爱因斯坦建 立相对论的科学探究思想和逻辑推理方法，以 及通过实验和观测结果，事实与理论很好地符 合一致就足够了，至于相对论的几个推论在大 学里还会进一步学习，中学阶段不宜讲得过多、 过细；但也不要过分渲染相对论的深奥。
第一节
相对论的诞生
二、教学建议
2.对爱因斯坦相对论两个基本假设的理解： （1）两个基本假设似乎就是迈克耳逊—莫雷 实验等观测和实验的直接结论。之所以叫做 假设，一是有待于更多的实验来证实，二是 由这两个假设出发又推出了更多的有待实验 证实的结论。 （2）狭义相对性原理把伽利略的相对性原理 的力学规律推广到一切规律，使相对性原理 更普遍适用。 （3）不论观察者如何相对光源运动，观察者 观察到的光速都是C
v
20m
教材102页的 图例比较难以 理解
d
v
v
12m
d
（5）对长度相对性要明确：
(1)长度测量值与被测物体相对于观测者的运 动有关，相对静止时最长 (2)对运动物体的测量必须同时测量两端的坐 标 (3)相对论长度收缩只发生在有相对运动的方 向上 (4)所有惯性系彼此等价，相对运动的观察者 都发现对方运动方向上的长度变短。
2．初步了解相对论质量公式。 (1)经典时空观的质量：物体的质量是不变的
(2)相对论质量
m
m0 1 v c
2 2
(3)在教学中不要强调“运动质量”或“相对质 量”概念，因为没有绝对静止的物体，运动都 是相对的，学生只要知道运动时的质量总要大 于静止时的质量即可，如回旋加速其中的高能 粒子，其质量明显变大，因此做圆周运动的周 期变大。 （4）对于光子，知道其静止质量为0.
新课程内容标准
初步了解经典时空观和相对论时空观，知 道相对论对人类认识世界的影响。
具体要求
1．知道狭义相对论的实验基础、基本原理和 主要结论。 2．了解经典时空观与相对论时空观的主要区 别。体会相对论的建立对人类认识世界的影响。 3．初步了解广义相对论的几个主要观点以及 主要观测证据。
高考要求
93．狭义相对论的基本假设和基本结论 I
（6）要讲清“动钟变慢”（或时间 膨胀）是两个不同惯性系进行时间比较的
一种效应，不要误认为时钟的结构或精度 因运动而发生了变化。
（7）要讲清“动钟变慢”（或时间膨胀） 是相对的的，由于两个惯性系是平权的， 在它们上面的观测者都将发现对方 的钟变慢了 。
第二节 时间和空间的相对性
3. “长度”的相对性 （1）知道经典的时空观：一根杆的长度不会 因为观察者是否与杆做相对运动而不同。 （2）知道相对论的时空观：在相对运动方向 上，一个参照系中测得的长度与另一个参照 系中测得的长度不同，相对静止参考系中测 得的长度长。
理解：1.惯性系实际是一种理想模型 2.不存在绝对静止的参考系
体会：力学规律在任何惯性系中都是相同的
小车上的人 观察到小球 作自由落体 运动
v
分别求：以车为参考及以地面为参考两种情况下 小球的加速度。 两种惯性参考下，牛顿第二定律,匀变速运动规律 都成立
第一节 相对论的诞生
（2）伽利略相对性原理在电磁学中遇到的麻 烦：在两个相对运动的参考系里的光速（电 磁波传播的速度）如何确定？
伽利略原理 与实际观察 有矛盾
第一节、相对论的诞生
（3）光速不变的实验基础：迈克耳逊—莫雷 实验（建议一般学校 不讲实验的原理和方 法，只告诉学生该实 验的结果） 迈克耳逊--莫雷 实验.ppt 实验结论：光相对于 任何相对运动的观察 者的速度都是一样的
第一节
相对论的诞生
（4）爱因斯坦的思想革命： 面对科学实验事实与伽利略相对性原 理的矛盾的困惑，爱因斯坦以超人的智 慧坚信：相对性原理对一切自然规律都 适用！而且光速对任何参考系速度都相 同！
3．知道相对论质能关系。
(1)爱因斯坦质能方程： E m c2 (2)对爱因斯坦质能方程的正确理解： 它阐明了质量为m的物体蕴藏着的能量， 即一定的质量总是与一定的能量对应着； 则表明了物体的质量变化了时，相应地其 具有的能量也要变化。但这不能因此理解 为“质量就是能量、质量可以转化为能 量”。
第二节
时间和空间的相对性
例题：（ 2008年江苏省 物 理） 惯性系S中有一边长为l的正方形（如图A所示）， 从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上 y y y y 测得该正方形的图象是
l
0
l
l
A
l
l
B
A
l
l
A
x
0
0
0
l
D
A
C
答案：C
第三节 狭义相对论的其他结论 第四节 广义相对论 一、学习要求 1．狭义相对论的其他结论 初步了解相对论速度变换公式。 了解相对论质量公式。 知道相对论质能关系。 2．广义相对论 初步了解广义相对性原理和广义相对论等效原理 初步了解广义相对论的时空结构及重要实验观测 证据。
答案：D
第二节 时间和空间的相对性
一、学习要求
通过分析，知道“同时”的相对性。 知道长度的相对性。 知道时间间隔的相对性。 了解相对论时空观与经典物理时空观的主要 区别。体会相对论的建立对人类认识世界的 影响。
第二节 时间和空间的相对性
二、教学建议 1. “同时”的相对性 （1）知道经典的时空观：在同一个惯性系中 不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性 系中也是同时的 （2）知道相对论的时空观：在同一个惯性系 中不同地点“同时”发生的两个事件，在另一 个惯性系中不一定是“同时”的
二、教学建议 1．初步了解相对论速度变换公式。 (1)了解经典时空观的速度变换：
u u v
/
(2)了解相对论速度变换公式
u v u / uv 1 2 c
/
பைடு நூலகம்
要理解各个字母 的含义
1．初步了解相对论速度变换公式。 (3)通过具体事例体会经典时空观的速度变换：
1．初步了解相对论速度变换公式。 (4)不论经典时空观的速度变换，还是相 / / u 对论速度变换，都有正负，v和 u 同向 为正，反向为负。 (5)相对论速度变换公式，是根据相对论 理论中的洛伦兹变换推出的结论，只适 用于同一直线运动物体速度的叠加，对 于更复杂的叠加，大学里会继续学习。 洛仑兹变换.ppt
谢谢您的 倾听
二、教学建议 1. “同时”的相对性 （3）通过事例理解同时的相对性 在一个参照系中测得同时发生的两个事件， 在另一个参照系中测得的未必同时发生。
B
A
v
v
B A
第二节 时间和空间的相对性
二、教学建议 2. “时间间隔”的相对性 （1）知道经典的时空观：某两个事件， 在不同的惯性系观察，它们的时间间隔 总是相同的。 （2）知道相对论的时空观：某两个事 件，在不同的惯性系观察，它们的时间 间隔是不同的。
第二节 时间和空间的相对性
2. “时间间隔”的相对性 （3）利用严密的数学推导，可以得 到洛仑兹变换的相对论“时间延缓” 数学表达式：
Δt Δt0 v 2 1 ( ) c
（4）通过具体事例理解“时间间隔”的相对性
对不同参考系，同一过程所用时间的测量结 果是不同的，相对静止系中测得的时间最短。
第一节 相对论的诞生
二、教学建议
4.例题： （1）下列说法正确的是 ( ABC ) A．物理的基本规律在所有惯性系中都是等 价的 B．在真空中，光的速度与光的频率、光源 的运动都无关 C．在任何惯性系中，光在真空中沿任意方 向的传播速度都相同 D．以上说法均不正确
（2）（09年江苏物理）如图甲所示，强强乘坐速度为 0.9c（c为光速）的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的 飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则 壮壮观测到该光束的传播速度为 。（填写选项 前的字母） （A）0.4c （B）0.5c （C）0.9c （D）1.0c
第二节 时间和空间的相对性
3. “长度”的相对性 （3）利用严密的数学推导，可以得到洛仑兹 变换的“相对论长度”的数学表达式：
l l0
v 2 1 ( ) c
（4）通过具体事例理解长度的相对性 在相对运动方向上，一个参照系中测得 的长度与另一个参照系中测得的长度不同， 相对静止参考系中测得的长度长。
v
d
v
v
d
（5）通过科学实验事实理解“时间间 隔”的相对性
1971年，美国空军用两组Cs（铯）原子 钟做实验。发现绕地球一周的运动钟变慢了 203±10ns，而按相对论预言运动钟变慢 184 ± 23 ns，在误差范围内理论值和实验 值一致，验证了时间延缓效应。
注意：该实验结果是狭义相对效应 和广义相对效应共同产生的！
第一节
相对论的诞生
二、教学建议 3.狭义相对论的两个基本假设的提出，是针对
伽利略的相对性原理与光速不变这一事实发生矛盾 时，爱因斯坦在寻求二者的统一。在教学中应该把 重点放在介绍爱因斯坦超人的智慧和独特的思维方 式上，在要求上只能作为科普知识，没有必要作过 多的说明。 “光速不变”这一结论也可以用“大量的事实 证明”来直接告诉学生而不提及具体实验。
实验观测证据
（1）物质的引力使光线弯曲：这一结论在1919 年5月29日被英国考察队通过对日全食的观测所 证实是完全正确的。 （2）引力场的存在使得空间不同位置的时间进 程内出现差别，引起引力红移。天文观测也证实 了这样的预言，现代技术也能在地球上验证引力 红移。 （3）广义相对论已经在宇宙结构、宇宙演化等 方面发挥重要的作用。 广义相对论简介.ppt