（一）導入新課1900年的4月27日，在英國倫敦皇家研究所舉行的科學報告會上，一位德高望重的老科學家開爾文作了一個演講，題目是《在熱和光動力理論上空的19世紀烏云》。他的第一段話是這么說的：（一）導入新課1“動力學理論斷言，熱和光都是運動的方式。但現在這一理論的優美性和明晰性卻被兩朵烏云遮蔽，顯得黯然失色了……”(‘Thebeautyandclearnessofthedynamicaltheory,whichassertsheatandlighttobemodesofmotion,isatpresentobscuredbytwoclouds.’)這個“烏云”的比喻后來被反復地引用。聯系到當時人們對經典物理學成就的樂觀情緒，許多時候這個表述又變成了“物理學晴朗天空的遠處，漂浮著兩朵小小的令人不安的烏云。”“動力學理論斷言，熱和光都是運動的方式。但現在這一理論的優美2這兩朵“烏云”是：1、【板書】邁克爾遜—莫雷實驗（1881年—1887年間）：研究光沿不同方向傳播速度的差異。2、【板書】熱輻射實驗：（1900年左右）：研究熱輻射的能量與溫度的關系。這兩個實驗所觀測到的現象用當時已有的物理學理論無法進行合理的解釋。正是這兩朵的烏云，不久以后釀成了物理學中一場巨大的變革。我們先來看看物理學的天空中這令人不安的第一朵“烏云”：光沿不同方向傳播的速度是否相同？這兩朵“烏云”是：3（二）新課教學1、高速世界的兩個基本原理經典力學的研究表明所有的機械波都必須通過介質才能傳播。麥克斯韋的電磁場理論揭示了光就是電磁波。光既然是波，當時人們自然要想：傳播光波的介質是什么呢？當時的物理學家假定這種介質叫做“以太”，整個宇宙空間都充滿了“以太”，認為“以太”是非常稀薄，密度極小的、完全透明的、難以感覺到的介質。按照經典的波動理論，這種介質的彈力又是極其大的，光波才會在里面有如此巨大的傳播速度。是一種使人感到奇怪的介質。

（二）新課教學1、高速世界的兩個基本原理4思考：如果我們在靜止的空氣中快速前進，就會感覺到有風迎面吹來，為什么？因為雖然空氣相對于地面是靜止的，但空氣相對于我們正在前進的人卻是運動的。地球是用30km/s的速度在宇宙中繞太陽運動的，如果“以太”這種介質充滿了宇宙，也必然會有30km/s的“以太風”迎著地球吹來，我們能觀測到這種“以太”風嗎？思考：如果我們在靜止的空氣中快速前進，就會感覺到有風迎面吹來5魯科版必修二61高速世界課件6問題：宇宙中充滿了傳播光的介質“以太”，地球又在宇宙中運動，設光在“以太”中的傳播速度為c，地球相對于“以太”運動的速度為v，那么當光的傳播方向與地球的運動方向相同時，以地球為參照物時，會測得光的速度是多大呢？

u1=（c-v）

當光的傳播方向迎著地球的運動方向而來時，以地球為慣性參照物又會測得光速為多大呢？生：應該是u2=（c+v）問題：宇宙中充滿了傳播光的介質“以太”，地球又在宇宙中運動，7如果以地球做慣性參照物，不同方向的光（電磁波）的速度的確有不同的話，就說明麥克斯韋理論描述的電磁波各個方向速度相同的規律，只有在用“以太”為慣性參照物時才是適用的，在用地球這類相對于“以太”運動的物體做參照物時電磁波各個方向速度相同的規律就不適用了，就會導致“不同的慣性參照系中物理規律是不同的”這樣一個結論。

美國物理學工作者邁克爾遜和莫雷在1881至1887年間在不斷提高實驗精確度的過程中，反復做了同一個實驗：把儀器固定在地面上與地球一起運動，在光順著地球運動方向傳播、逆著地球運動方向傳播、以及光傳播方向與地球運動方向垂直時，不同情況下測量光速的差異。令人驚異的實驗結果是：以地球為慣性參照物時測得各個方向的光速沒有差異。這個著名的實驗后來物理學界把它叫做邁克爾遜—莫雷實驗。如果以地球做慣性參照物，不同方向的光（電磁波）的速度的確有不8【板書】邁克爾遜—莫雷實驗結果：以地球為慣性參照物時測得各個方向的光速沒有超出實驗誤差范圍的明顯差異。這樣的實驗結果，與經典的物理學理論產生了難以調和的矛盾，令人感到不安。怎么辦？許多物理學工作者對邁克爾遜—莫雷實驗的結果提出了一些使人感到牽強的解釋，無法從根本上解決問題。比如“‘以太’牽引說”、“洛侖茲收縮說”等。

愛因斯坦的辦法：于1905年寫了一篇論文提出了他的想法：

1、相對性原理：物理規律在一切慣性參照系中都具有相同的形式。2、光速不變原理：在一切慣性系中，測量到的真空中的光速c都一樣。【板書】邁克爾遜—莫雷實驗結果：以地球為慣性參照物時測得各個92、時間延緩效應問題：靜止的觀測者、順著光速方向運動的觀測者、逆著光速方向運動的觀測者，光相對于他們通過的位移是不同的，測量到的光速卻都是一樣的，這是為什么呢？生猜想：可否認為不同的慣性參照系中測得的時間也是不相同的呢？觀測者測得光通過的距離較長時，如果他測得的時間也較長，則光速有可能是一樣的。

師：愛因斯坦也正是這么想的。

討論：假定一輛列車以速度v相對于地面勻速運動，靜止在車廂里的人手持一個光源，從車廂的地板豎直向上將一束光射向頂部的一面反射鏡，然后又反射回車廂的地板。設車廂中的頂部和地板之間的高度為d，則在車廂中以車廂為慣性參照物的觀察者看來，“光在空中來回”的過程中，所測得的時間為⊿t′則光速是多大呢？（參看教學資料上的插圖）2、時間延緩效應問題：靜止的觀測者、順著光速方向運動的觀測者10這個關系式很重要，我們雖然是從“光在空中來回”這一特殊事件中推導出來的，但在愛因斯坦在相對論中作了更復雜、更充分的推導認為它是一個對各種事件都普遍適用的公式。

例題：有一個實驗事實：在宇宙射線中會產生一種微觀粒子叫做μ子，在實驗室中測算出它們靜止時的平均壽命（存在時間）是τ′=2.2×10-6秒，按照經典的時空觀（時間是孤立的，與慣性參照物無關），μ子以接近光的速度運動（v=0.998c）時，在這段時間內μ子能飛過的平均路程只有：s=cτ′=3×108×2.2×10-6=660m，然后μ子就會消失，可是對宇宙射線的大量觀測卻發現，大部分高速μ子能夠從約10km的高空大氣層到達海平面，這是為什么呢？可以用相對論來解釋嗎？

這個關系式很重要，我們雖然是從“光在空中來回”這一特殊事件中11分析：假設有一輛列車和μ子一起速度v=0.998c運動，μ子相對于列車是靜止的。因此，以列車為慣性參照物，測得μ子的壽命就是μ子靜止時的壽命τ′=2.2×10-6秒，而以地面做參照物時，μ子是運動的，地面上的鐘測得其壽命將是：在這段時間內μ子能飛過的平均路程有：s=cτ=3×108×3.48×10-5=10.44km.相對于光速c而言，通常的運動物體（如飛機、火箭），其速度v都遠遠小于光速c，時間延緩效應是可以忽略不計的。所以我們認為當物體的速度遠遠小于光速時，經典物理學的時空觀還是有效的，沒有必要徹底拋棄。只有在物體高速運動時，經典物理學的時空觀才不再適用了。【板書】經典物理學時空觀的局限性：只在低速（與光速相比較）條件下有效。

分析：假設有一輛列車和μ子一起速度v=0.998c運動，μ子123、長度收縮效應愛因斯坦在相對論中通過推導得出了：運動慣性參照系上尺度縮短效應注意：其實并不是車上尺子本身的長度真的發生了收縮，這是由于相對論的時空關系導致的結果。例題：對于前面在時鐘延緩效應中討論過的例題，也可以從相對論的尺縮效應來看這個問題：被μ子穿越的大氣層厚度約是10.44km，但如果以μ子為慣性參照物，則μ子是靜止的，大氣層在以v=0.998c的速度向μ子運動，所以以靜止的μ子測得運動的大氣層厚度只有：所以，μ子可以穿過大氣層到達海平面。

3、長度收縮效應愛因斯坦在相對論中通過推導得出了：例題：對于13（三）小結：

經典物理的時空觀相對論時空觀真空中光速在不同的慣性參照系中測得光速不同在任何慣性參照系中測得的光速都相同介質宇宙中傳播光的介質叫“以太”宇宙中不存在“以太”介質時間時間是獨立的，與參照系無關同一事件在不同的參照系中測得時間不同長度同一物體的長度與參照系無關同一物體在不同的參照系中測得長度不同物體的速度可以任意大真空中光速是速度的極限，任何物體的速度不可能超過真空中的光速（三）小結：經典物理的時空觀相對論時空觀真空中光速在不同的14（一）導入新課1900年的4月27日，在英國倫敦皇家研究所舉行的科學報告會上，一位德高望重的老科學家開爾文作了一個演講，題目是《在熱和光動力理論上空的19世紀烏云》。他的第一段話是這么說的：（一）導入新課15“動力學理論斷言，熱和光都是運動的方式。但現在這一理論的優美性和明晰性卻被兩朵烏云遮蔽，顯得黯然失色了……”(‘Thebeautyandclearnessofthedynamicaltheory,whichassertsheatandlighttobemodesofmotion,isatpresentobscuredbytwoclouds.’)這個“烏云”的比喻后來被反復地引用。聯系到當時人們對經典物理學成就的樂觀情緒，許多時候這個表述又變成了“物理學晴朗天空的遠處，漂浮著兩朵小小的令人不安的烏云。”“動力學理論斷言，熱和光都是運動的方式。但現在這一理論的優美16這兩朵“烏云”是：1、【板書】邁克爾遜—莫雷實驗（1881年—1887年間）：研究光沿不同方向傳播速度的差異。2、【板書】熱輻射實驗：（1900年左右）：研究熱輻射的能量與溫度的關系。這兩個實驗所觀測到的現象用當時已有的物理學理論無法進行合理的解釋。正是這兩朵的烏云，不久以后釀成了物理學中一場巨大的變革。我們先來看看物理學的天空中這令人不安的第一朵“烏云”：光沿不同方向傳播的速度是否相同？這兩朵“烏云”是：17（二）新課教學1、高速世界的兩個基本原理經典力學的研究表明所有的機械波都必須通過介質才能傳播。麥克斯韋的電磁場理論揭示了光就是電磁波。光既然是波，當時人們自然要想：傳播光波的介質是什么呢？當時的物理學家假定這種介質叫做“以太”，整個宇宙空間都充滿了“以太”，認為“以太”是非常稀薄，密度極小的、完全透明的、難以感覺到的介質。按照經典的波動理論，這種介質的彈力又是極其大的，光波才會在里面有如此巨大的傳播速度。是一種使人感到奇怪的介質。

（二）新課教學1、高速世界的兩個基本原理18思考：如果我們在靜止的空氣中快速前進，就會感覺到有風迎面吹來，為什么？因為雖然空氣相對于地面是靜止的，但空氣相對于我們正在前進的人卻是運動的。地球是用30km/s的速度在宇宙中繞太陽運動的，如果“以太”這種介質充滿了宇宙，也必然會有30km/s的“以太風”迎著地球吹來，我們能觀測到這種“以太”風嗎？思考：如果我們在靜止的空氣中快速前進，就會感覺到有風迎面吹來19魯科版必修二61高速世界課件20問題：宇宙中充滿了傳播光的介質“以太”，地球又在宇宙中運動，設光在“以太”中的傳播速度為c，地球相對于“以太”運動的速度為v，那么當光的傳播方向與地球的運動方向相同時，以地球為參照物時，會測得光的速度是多大呢？

u1=（c-v）

當光的傳播方向迎著地球的運動方向而來時，以地球為慣性參照物又會測得光速為多大呢？生：應該是u2=（c+v）問題：宇宙中充滿了傳播光的介質“以太”，地球又在宇宙中運動，21如果以地球做慣性參照物，不同方向的光（電磁波）的速度的確有不同的話，就說明麥克斯韋理論描述的電磁波各個方向速度相同的規律，只有在用“以太”為慣性參照物時才是適用的，在用地球這類相對于“以太”運動的物體做參照物時電磁波各個方向速度相同的規律就不適用了，就會導致“不同的慣性參照系中物理規律是不同的”這樣一個結論。

美國物理學工作者邁克爾遜和莫雷在1881至1887年間在不斷提高實驗精確度的過程中，反復做了同一個實驗：把儀器固定在地面上與地球一起運動，在光順著地球運動方向傳播、逆著地球運動方向傳播、以及光傳播方向與地球運動方向垂直時，不同情況下測量光速的差異。令人驚異的實驗結果是：以地球為慣性參照物時測得各個方向的光速沒有差異。這個著名的實驗后來物理學界把它叫做邁克爾遜—莫雷實驗。如果以地球做慣性參照物，不同方向的光（電磁波）的速度的確有不22【板書】邁克爾遜—莫雷實驗結果：以地球為慣性參照物時測得各個方向的光速沒有超出實驗誤差范圍的明顯差異。這樣的實驗結果，與經典的物理學理論產生了難以調和的矛盾，令人感到不安。怎么辦？許多物理學工作者對邁克爾遜—莫雷實驗的結果提出了一些使人感到牽強的解釋，無法從根本上解決問題。比如“‘以太’牽引說”、“洛侖茲收縮說”等。

愛因斯坦的辦法：于1905年寫了一篇論文提出了他的想法：

1、相對性原理：物理規律在一切慣性參照系中都具有相同的形式。2、光速不變原理：在一切慣性系中，測量到的真空中的光速c都一樣。【板書】邁克爾遜—莫雷實驗結果：以地球為慣性參照物時測得各個232、時間延緩效應問題：靜止的觀測者、順著光速方向運動的觀測者、逆著光速方向運動的觀測者，光相對于他們通過的位移是不同的，測量到的光速卻都是一樣的，這是為什么呢？生猜想：可否認為不同的慣性參照系中測得的時間也是不相同的呢？觀測者測得光通過的距離較長時，如果他測得的時間也較長，則光速有可能是一樣的。

師：愛因斯坦也正是這么想的。

討論：假定一輛列車以速度v相對于地面勻速運動，靜止在車廂里的人手持一個光源，從車廂的地板豎直向上將一束光射向頂部的一面反射鏡，然后又反射回車廂的地板。設車廂中的頂部和地板之間的高度為d，則在車廂中以車廂為慣性參照物的觀察者看來，“光在空中來回”的過程中，所測得的時間為⊿t′則光速是多大呢？（參看教學資料上的插圖）2、時間延緩效應問題：靜止的觀測者、順著光速方向運動的觀測者24這個關系式很重要，我們雖然是從“光在空中來回”這一特殊事件中推導出來的，但在愛因斯坦在相對論中作了更復雜、更充分的推導認為它是一個對各種事件都普遍適用的公式。

例題：有一個實驗事實：在宇宙射線中會產生一種微觀粒子叫做μ子，在實驗室中測算出它們靜止時的平均壽命（存在時間）是τ′=2.2×10-6秒，按照經典的時空觀（時間是孤立的，與慣性參照物無關），μ子以接近光的速度運動（v=0.998c）時，在這段時間內μ子能飛過的平均路程只有：s=cτ′=3×108×2.2×10-6=660m，然后μ子就會消失，可是對宇宙射線的大量觀測卻發現，大部分高速μ子能夠從約10km的高空大氣層到達海平面，這是為什么呢？可以用相對論來解釋嗎？

這個關系式很重要，我們雖然是從“光在空中來回”這一特殊事件中25分析：假設有一輛列車和μ子一起速度v=0.998c運動，μ子相對于列車是靜止的。因此，以列車為慣性參照物，測得μ子的壽命就是μ子靜止時的壽命τ′=2.2×10-6秒，而以地面做參照物時，μ子是運動的，地面上的鐘測得其壽命將是：在這段時間內μ子能飛過的平均路程有：s=cτ=3×108×3.48×10-5=10.44km.相對于光