1、2020-2021學年高中物理 第5章 科學進步無止境 第1節(jié) 初識相對論教案2 魯科版必修第二冊2020-2021學年高中物理 第5章 科學進步無止境 第1節(jié) 初識相對論教案2 魯科版必修第二冊年級：姓名：- 6 -第1節(jié) 初識相對論本節(jié)內(nèi)容用物理學史中完整的經(jīng)典物理學體系建立后所面臨的兩個無法解決的問題（“邁克爾孫莫雷實驗 ”和黑體輻射的“紫外災難 ”），直述相對論建立和量子論產(chǎn)生背景，進而交代本章側重初步了解相對論的相關內(nèi)容，在必修第三冊中再了解量子論的有關內(nèi)容。鎖定本章學習主題后，首先，把經(jīng)典物理探索光的傳播介質(zhì)“以太 ”的研究（探索“以太風 ”的存在實驗）展示出來，讓學生用已有的速度

2、合成知識得到“光速與測量者相對光源的運動速度有關 ”的結論。再介紹著名的“邁克爾孫莫雷實驗 ”的結果：光速與測量者相對光源的運動速度無關。當已有理論推導結果與實驗事實之間出現(xiàn)矛盾時，進一步介紹愛因斯坦通過科學推理、超越經(jīng)典大膽假設的狹義相對論的兩個基本原理。 物理觀念：能初步了解相對論時空觀的內(nèi)涵，建立初步的相對論時空觀。 科學思維：知道研究高速世界需要建構物理模型；知道科學推理與大膽想象的重要性。科學探究：知道在可靠的實驗事實基礎上，進行科學推理、合理假設等科學研究方法的重要性。 科學態(tài)度與責任：通過學習，體會在科學研究中不放過絲毫疑惑、窮根究理的態(tài)度和責任。1、教學重點：對狹義相對論的兩個

3、基本原理內(nèi)容的了解及對科學推理、合理假設的科學研究方法的理解。 2、教學難點：對狹義相對論的兩個基本原理內(nèi)容的了解。 多媒體課件【新課導入】自然和自然的法則在黑暗中隱藏；上帝說，讓牛頓去吧！于是一切都被照亮。魔鬼說，讓愛因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。【新課內(nèi)容】一.邁入新世界1900年，英國物理學家開爾文躊躇滿志地宣告：在已經(jīng)基本建成的科學大廈中，后輩物理學家只要做一些零碎的修補工作就行了。但是在這盡善盡美之中，還有一點小小的遺憾。用開爾文的話說，在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵小小的令人不安的“烏云”。物理學晴朗天空的遠處還有兩朵小小的、令人不安的“烏云”“以太漂移”，邁克爾遜莫雷實驗表

4、明，以太不存在。“紫外災難”，由經(jīng)典理論得出的瑞利金斯公式，在高頻部分趨于無窮。正是這兩朵烏云(后來還出現(xiàn)了其它更多的烏云)，不久便掀起了物理學上深刻的革命：一個導致相對論的建立，一個導致量子力學的誕生。我們知道，水波的傳播要有水作為媒介，聲波的傳播要有空氣作為媒介。經(jīng)典物理學家曾認為，“以太”是光波的傳播介質(zhì)，這種介質(zhì)絕對靜止、密度極小（幾乎為0）、硬度極大、完全透明，充滿宇宙空間，滲透于一切物體。若真存在“以太”，地球在“以太”的海洋中自轉、公轉，則一定會有“以太風”迎面撲來。因此，探索“以太風”的存在，確定地球和“以太”的相對運動，就成為19世紀后半葉物理學的一個重要課題。按照經(jīng)典時空觀

5、的運動合成原理，在以大小為v1的速度水平行駛的汽車上，有人相對于汽車以大小為v2的速度將一物體水平拋出。在靜止于路邊的觀察者看來，若物體拋出時與汽車同向，則物體速度大小為v1+v2；若反向，則物體速度大小為v2-v1。同樣道理，假設光相對“以太”的傳播速度為c，地球相對“以太”的運行速度為w，當光速c與地球速度v的方向相同時，則靜止在地球上的人觀測到該光的速度為c=c-v；當光速c與地球速度的方向相反時，則此人觀測到該光的速度為c=c+v。如果能通過實驗測量到這種差別，就能夠證明“以太”的存在。1887年，美國物理學家邁克爾孫（a.michelson，1852-1931）與莫雷（e.morle

6、y，1838-1923）合作，進行了著名的邁克爾孫一莫雷實驗。實驗證明，不論地球運動的方向同光的射向一致還是相反，測出的光速都相同，在地球同設想的“以太”之間沒有相對運動，找不到“以太”。這一實驗沒有支持“以太”說。這便是開爾文所說的在物理學晴朗天空遠處的一朵令人不安的“烏云”，也反映了牛頓力學的局限性。二.兩條假說 愛因斯坦經(jīng)過不懈的探索加上非凡的抽象思維能力，最終撥開了物理學天空中令人不安的“烏云”，提出了著名的相對論（relativity）。他于 1905 年提出兩個基本假設：1. 相對性原理（愛因斯坦相對性原理）： 所有物理規(guī)律在一切慣性參考系中都具有相同的形式。即力學定律從一個慣性系

7、換算到另一個慣性系時，定律的表述形式保持不變。2. 光速不變原理：在一切慣性參考系中，測量到的真空中的光速 c 都一樣（c = 3108 m/s）不管光源與觀察者之間的相對運動如何，在任一慣性系中所測得的真空中的光速都是相等的。 相對性原理表明：在某個慣性系中描述某個物理系統(tǒng)的某個物理過程的物理定律，在其他一切慣性系中對該系統(tǒng)該過程作出描述的物理定律皆保持形式不變。例如，在勻速飛行的飛機上觀測，上拋小球的運動遵循勻變速直線運動的規(guī)律，那么在地面上（或在其他慣性參考系中 ）觀測，上拋小球的運動仍遵循同樣形式的勻變速直線運動的規(guī)律。光速不變原理表明：在一切慣性系中觀測在真空中傳播的同一束光，不論沿任何方向，其速度大小都為c，與光源或觀察者的運動無關。這一結論實際上已被大量的實驗證實。如圖所示，假設在真空環(huán)境中，靜止在勻速運行列車中的觀測者與靜立于地面的觀測者，測得手電發(fā)出的光波的速度大小都是c。例題1下列說法中不正確的是( a ) a只有靜止的參照系是慣性系b由于在任何慣性系中力學規(guī)律都是相同的，因此,研究力學問題時可以選擇任何慣性系c在不同的慣性系中，光速都是相同的d在一個慣性系