高中物理选修3-4第十五章相对论简介全章教案

教学课题：相对论的诞生
一．教学目标
【知识和技能】
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
【过程和方法】
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】
明确物理理论的发展的基础—事实与理论的矛盾
二．教学重点、难点
重点：经典的相对性原理和光速不变
难点：相对性原理的体味
三．教学仪器
投影仪
四．教学方法
讲授、阅读和讨论
五．教学过程
引入
（阅读教材）牛顿力学是在研究宏观物体的低速（与光速相比）运动时总结出来的.对于微观粒子，牛顿力学并不适用，在这一章中我们还将看到，对于高速运动，即使是宏观物体，牛顿力学也不适用.
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.
新课
一、经典的相对性原理
如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系叫做惯性系，相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系.
我们引用伽利略的一段话，生动地描述了一艘平稳行驶的大船里发生的事情.“船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向各方向飞行，鱼向各个方向随意游动，水滴滴进下面的罐中；你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不比向另一方向用更多的力.你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相同.当你仔细观察这些事情之后，再使船以任何速度前进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右地摆动，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化.你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动”通过这段描述以及日常经验，人们很容易相信这样一个论述：力学规律在任何惯性系中都是相同的.这个论述叫做伽利略相对性原理.相对性原理可以有不同的表述.例如还可以表述为：在一个惯性参考系内进行任何力学实验都不能判断它是否在相对于另一个惯性参考系做匀速直线运动；或者说，任何惯性系都是平权的.
在不同的参考系中观察，物体的运动情况可能不同，例如在一个参考系中物体是静止的，在另一个参考系中看，它可能是运动的，在不同的参考系中它们运动的速度和方向也可能不同.但是，它们在不同的惯性系中遵从的力学规律是一样的，例如遵从同样的牛顿运动定律、同样的运动合成法则……
二、光速引起的困难
自从麦克斯韦预言了光的电磁本质以及电磁波的速度以后，物理学家们就在思考，这个速度是对哪一个参考系说的？如果存在一个特殊的参考系O，光对这个参考系的速度是c，另一个参考系O′以速度v沿光传播的方向相对参考系O运动，那么在O′中观测到的光速就应该是c-v，如果参考系O′逆着光的传播方向运动，在参考系O′中观测到的光速就应该是c+v.
由于一般物体的运动速度比光速小得多，c+v 和c-v与光速c的差别很小，在19世纪的技术条件下很难直接测量，于是物理学家们设计了许多巧妙的实验，力图测出不同参考系中光速的差别.最著名的一个实验是美籍物理学家麦克尔逊设计的.他把一束光分成互相垂直的两束，一束的传播方向和地球运动的方向一致，另一束和地球运动的方向垂直，然后使它们发生干涉，如果不同方向上的光速有微小的差别，当两束光互相置换时干涉条纹就会发生变化.由于地球在宇宙中运动的速度很大，希望它对光速能有较大的影响.但是，这个实验和其他实验都表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是相同的.这些否定的结果使当时的物理学家感到震惊，因为它和传统的观念，例如速度合成的法则，是矛盾的.
三、狭义相对论的两个假设
上面的矛盾使我们面临一个困难的选择：要么放弃麦克斯韦的电磁理论，要么否定特殊参考系的存在.爱因斯坦选择了后者.他认为，既然在不同的惯性系中力学规律都一样，我们会很自然地想到，电磁规律在不同的惯性系中也是一样的，也就是说，并不存在某一个特殊参考系（例如地球参考系、太阳参考系，或者所谓的以太……）爱因斯坦把伽
利略的相对性原理推广到电磁规律和一切其他物理规律，成为他的第一个假设：
在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的.这个假设通常称为爱因斯坦相对性原理. 另一条假设是：
真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，与光源的运动和观察者的运动没有关系.这个假设通常叫做光速不变原理.
这两个假设似乎是麦克尔逊实验的直接结论，为什么还要叫做假设？这是因为，虽然实验表明了假设所说的内容，但这终归是有限的几次实验.只有在从这两个假设出发，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时，它们才能成为真正意义上的原理. 例题与练习
见学案
小结
狭义相对论的两个假设 作业
阅读教材和查找相关资料
六．教学反思：
教学课题： 时间和空间的相对性 一．教学目标 【知识和技能】 1.同时的相对性 2.运动长度的收缩 3.时间间隔的相对 【过程和方法】
1.理解同时相对性的推演过程
2.理解从“同时相对性”出发得出“运动长度和时间间隔的相对性”的过程 【情感、态度、价值观】 1.体会相对论崭新的时空观，体会相对论的建立对人类认识世界的影响。

2.辩证地看待经典物理理论 二．教学重点、难点
重点： 时间的相对性 难点： 空间的相对性
三．教学仪器
投影仪
四．教学方法
讲授、讨论、自学
五．教学过程 引入
狭义相对论的两个假设是？学生思考回答 新课 一、“同时”的相对性 1.阅读教材了解“同时”的相对性是相对论两个假
设的直接推论。

2.学生讨论：
情况1：对于运动的火车上同时发生的两个事件，对于地面就不是同时的
车上的观察者认为光同时到达车厢的前后两壁 站台上的观察者认为光先到车厢后壁后到前壁 讲解关键：在各个参考系中光速都为c 情况2：地面 上同时发生的两个事件，对于运动的火车也不是同时的
利用相对运动原理，可假设车静人动 ，人和地面相当于火车，结果与前面相似
3.让学生自己分析 “思考与讨论” 二、长度的相对性 1. 阅读教材
2.要让学生知道长度的相对性(动尺缩短)，是“同时”的相对性带来的一个普遍的时空属性，它与物体的具体组成和结构无关，当物体运动速度越接近光速，这种收缩效
应就变得越显著。

3.要介绍利用严格
数学推导可以得到
洛伦兹变换的相对论长度收缩公式。

4.要让学生理解长度收缩公式的物理意义，必须注意参考系的选择及参考系的运动状态。

三、时间间隔的相对性
1. 阅读教材
2.学生讨论“动钟变慢”与同时的相对性的联系，使学生知道运动的钟变慢是同时的相
对性带来的时空属性。

①时间间隔的相对性可以通过长度的相对性的一些简单例子加以说明。

②介绍“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，不要误认为是时钟的结构或精度因运动而发生了变化。

③运动时钟变慢完全是相对的，由于两个惯性参考系是平权的，在它们上面的观测者都将发现对方的钟变慢了。

四、时空相对性的验证（学生自学讨论）
1.根据相对论，时间在运动中会进行的比较缓慢，也就是说，在空间中高速移动的时钟，比固定于地面上的时钟走得慢．
2.早在1941年，科学家通过对宇宙线的观测证实了相对论的结论，美国科学家罗西和霍尔在不同高度统计了宇宙线中μ子的数量，结果与相对论预言完全一致．
3.1971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞行，然后与地面的基准钟对照．
实验结果
与理论预言符合的很好．这是相对论的第一次宏观验证．
五、相对论的时空观
1.牛顿物理学的绝对时空观：物理学的空间与时间是绝对分离没有联系的，脱离物质而单独存在，与物质的运动无关。

2.相对论认为：有物质才有时间和空间，空间和时间与物体的运动状态有关。

3.人类对于空间、时间更进一步的认识而形成的新的时空观，是建立在新的实验事实和相关结论与传统观念不一致的矛盾基础上，不断发展、不断完善起来的。

例题与练习
见学案
小结
（略）
作业
见学案
六．教学反思：
教学课题：狭义相对论的其它结论
一．教学目标
【知识和技能】
1．知道相对论的速度变换公式。

2．知道相对论质量。

3．知道爱因斯坦质能方程。

【过程和方法】
培养应用相对论时空观分析研究问题的能力。

【情感、态度、价值观】
激发学生对相对论力学的探索热情。

二．教学重点、难点
重点：三个结论的了解。

难点：三个结论的应用
三．教学仪器
投影仪
四．教学方法
阅读、自学、讲授
五．教学过程
引入
在第一节内容的学习中，遗留一个问题，那就是经典物理中速度叠加原理与光速不变之间的矛盾，显然经典的速度叠加原理在高速情况下是不适用的，下面我们来认识相对论的速度叠加原理
新课
一、相对论的速度变换公式
［投影］如图，高速火车对地速度为v，车上小球相对于车的速度为u′，则地上观察者观察到它的速度为u 则有：u=
2
1
c
v
u
v
u
'
+
+'
2.理解公式：注意这一公式仅适用于u′与v在一直线上的情况，当u′与v相反时，u′取负值.
3.讨论：教材自学讨论
4.对于低速物体u′与v与光速相比很小时，根据公式u=
2
1
c
v
u
v
u
'
+
+'
可知u′v<<c，这时u≈u′+v，这
就是经典物理学的速度合成法则。

二、相对论质量
1.阅读教材
2.介绍：如果物体静止时质量为m0，以速度v运动时质量为m，则有
m=
2
)
(
1
c
v
m
-
由公式可以看出随v的增加，物体的质量随之增大。

3.理解公式
三、质能方程
1.根据前面的相对论质量，爱因斯坦质能联系方程应该变为E=mc2=
2
2
)
(
1
c
v
c
m
-
.
2.物体运动的动能为运动时能量和静止时能量E0之差：
E
k
=E-E0
3.介绍物体低速运动时，
c
v
<<1
E=
2
2
)
(
1
c
v
c
m
-
≈［1+
2
1
（
c
v
）2］m0c2（请同学们课后
查阅有关数学公式）
动能E k=E-E0≈
2
1
（
c
v
）2m0c2=
2
1
m
v2
这就是经典力学中我们熟悉的动能表达式。

由此可以看到，牛顿力学是v<<c时的特例。

例题与练习
阅读并讨论教材中的问题
小结
作业
见学案
六．教学反思：
教学课题：广义相对论简介
一．教学目标
【知识和技能】
1．了解广义相对性原理和等效原理。

2．了解广义相对论的几个结论。

【过程和方法】
通过本节的学习，初步认识狭义相对论和广义相对论的基本原理。

【情感、态度、价值观】
通过本节内容的学习，激发探索宇宙奥秘的兴趣，形成初步的相对论时空观。

二．教学重点、难点
重点：广义相对性原理和等效原理。

难点：理解广义相对论的几个结论的验证。

三．教学仪器
投影仪
四．教学方法
讲授、自学、讨论
五．教学过程
引入
简介：1915年，继狭义相对论发表10年之后，爱因斯坦又发表了广义相对论。

这节课我们来了解一下广义相对论的基本原理和几个结论。

新课
一、超越狭义相对论的思考
1.学生阅读、思考：117页有关内容，说一说狭义相对论中无法解释的几个问题是什么：狭义相对论无法解释引力作用以什么速度传递；狭义相对论是惯性参考系之间的理论。

为什么惯性参考系有这样特殊的地位？狭义相对论无法解释。

二、广义相对性原理和等效原理
1.爱因斯坦认真思考了以上问题，又向前迈进了一大步，把相对性原理推广到包括非惯性系在内的任意参考系，提出了广义相对性原理。

师：在任何参考系中，物理规律都是相同的，这就是广义相对性原理。

2.在广义相对论中还有另一个基本原理这就是著名的等效原理。

请大家阅读教材，看看什么是等效原理，它是如何提出来的。

3.投影下教材图15.4—1和2，做简要讲解。

学生思考
一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价，这就是等效原理。

三、广义相对论的几个结论
1.学生阅读：从广义相对论的两个基本原理出发，可以直接得到一些“意想不到”的结论。

请大家阅读教材，说明得到了哪些结论这些解论的实验验证是什么？
1）第一个结论，物质的引力使光线弯曲。

20世纪初，人们观测到了太阳引力场引起的光线弯曲。

观测到了太阳后面的恒星。

2）：第二个结论，引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别。

例如在强引力的星球附近，时间进程会变慢。

天文观测到了引力红移现象，验证了这一结论的成立。

3）总结学生的回答。

投影教材图15.4—3做必要讲解。

2.引导学生勇于探索，用于发现新的规律，为推动人类文明做出自己的贡献。

例题与练习
阅读查找相关资料
小结
1.广义相对论：广义相对性原理和等效原理
2.我们还了解了广义相对论的两个结论：一是物质的引力使光线弯曲，二是引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别。

作业
见学案
六．教学反思：。