(完整版)相对论的诞生

相对论诞生

课型：新授

教学目标：知识与技能：

（1）了解相对论诞生的历史背景，知道麦克耳孙一莫雷实验

（2）了解经典的相对性原理

（3）知道相对性原理与电磁规律之间的矛盾

（4）知道狭义相对论的两个基本假设

过程与方法：

（1）了解对经典物理学内部矛盾的探索过程

（2）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

情感态度价值观：

（1）明确物理理论的发展的基础——实验

教学重点难点：狭义相对论的两点假设

教学方法：阅读小结

教学过程：

牛顿的经典力学的基础就是三大定律，形成于十七世纪，在以后的两个多世纪里，牛顿力学对科学和技术的发展起了巨大的推动作用。但是，进入二十世纪，物理学研究的领域开始深入到了微观高速领域

19世纪后半叶，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．

一、经典的相对性原理

1、惯性系：

牛顿运动定律成立的参考系

2、伽利略相对性原理：力学规律在任何惯性系中都是相同的

还可表述为：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之间的矛盾

麦克斯韦电磁理论的困难：

光是电磁波；由于真空介电常数和磁导率是与参考系无关的常量，因此c也应是与参考系无关。这就是说在任何参考系中测得的光在真空中的速度都应该是同一数值。

但是，根据相对性原理，若以c表示某一参考系K中测得的真空中光的速度，c′为以u运动的K′系中测得的光在真空中的速度，根据伽利略变换，就应有：c′= c —u

矛盾激发：“在不同的惯性系中光速不同”——“任何参考系中光速度都应该是同一数值”，说明相对性原理涉及到接近光速的高速领域产生了明显的困难。

当时人们为了解决这个困难，提出了三种可能：

（1）麦克斯韦电磁理论有错，正确的电磁方程组应满足伽利略不变性。

（2）牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对，但麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立。

（3）牛顿力学与伽利略变换不对，应存在某种变换，麦克斯韦电磁理论在这种新的变换下具有不变性。这意味着经典牛顿力学要作修改，修改后的力学方程在新的变换下具有不变性。

上述的矛盾使物理学家面临两个选择，一是修正现有的理论，去迎合实验结果（这相对比较容易，但常常无效）；另一种主张彻底摆脱“麦克斯韦电磁理论只适用于某一特殊的惯性系”，创立全新的理论。爱因斯坦、庞加莱等人选择了后者．并提出了两个假设：

三、狭义相对论的两个基本假设

①爱因斯坦相对性原理———切物理定律，在不同的惯性系中是相同的

②光速不变原理——光在真空中的传播速度在不同的惯性系中测得的数值都是相同的，与光源、观察者是否相对运动无关

对2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。小结

一、伽利略相对性原理

力学规律在任何惯性系中都是相同的

二、相对性原理与电磁规律发生矛盾

三、狭义相对论的两个基本假设

1、狭义相对性原理

在不同的惯性参考系，一切物理规律都是相同的

2、光速不变原理

真空中的光速在不同的惯性参考系中是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。

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。

课堂练习：

1．有关经典相对性原理的叙述中，正确的是( )。

A．经黄相对性原理对任何规律都适用

B．经典相对性原理仅是针对力学规律而言的

C．如果某个参考系中的力学规律相同，则这两个参考系一定都是惯性参考系

D．利用相对性原理可以确定任一参考系是否是惯性参考系

答案：B 经典相对性原理是从力学规律的角度来论述问题的，同时也仅对惯性参考系才成立，因此仅有B项正确。

2.(多选)如果牛顿定律在参考系A中成立,而参考系B相对于A做匀速直线运动,则在参考系B中( )

A.牛顿定律也同样成立

B.牛顿定律不能成立

C.A和B两个参考系中,一切力学规律都是相同的

D.参考系B也是惯性参考系

答案:ACD

3.(多选)关于狭义相对论的两个假设,下列说法正确的是( )

A.在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的

B.在不同的惯性参考系中,力学规律都一样,电磁规律不一样

C.真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的

D.真空中的光速在不同的惯性参考系中是有差别的

答案:AC

4.如图所示,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( )

A.0.4c

B.0.5c

C.0.9c

D.1.0c

解析:真空中的光速在不同的惯性参考系中都相同。

答案:D

5.话说有兄弟两个,哥哥乘坐宇宙飞船以接近光的速度离开地球去遨游太空,经过一段时间返回地球,哥哥惊奇地发现弟弟比自己要苍老许多,则该现象的科学解释是( )

A.哥哥在太空中发生了基因突变,停止生长了

B.弟弟思念哥哥而加速生长了

C.由相对论可知,物体速度越大,在其上时间进程就越慢,生理过程也越慢

D.这是神话,科学无法解释

解析:根据相对论的时间延缓效应,当飞船速度接近光速时,时间会变慢,时间延缓效应对生命过程、化学反应等也是成立的。飞船运行的速度越大,时间延缓效应越明显,人体新陈代谢越缓慢。

答案:C