PAGE1-初識相對論【教學(xué)目標(biāo)】一、學(xué)問與技能1．初步了解狹義相對論的基本假設(shè)。2．相識時(shí)間和空間的相對性。3．了解狹義相對論的其他兩個結(jié)論。二、過程與方法1．培育學(xué)生嚴(yán)密的邏輯思維習(xí)慣，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)的愿望。2．學(xué)習(xí)正確的相識方法：實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一方法。三、情感、看法與價(jià)值觀通過對本節(jié)學(xué)問的分析，培育學(xué)生的邏輯思維實(shí)力，激發(fā)學(xué)生探究科學(xué)的精神?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】狹義相對論的基本假設(shè)。【教學(xué)難點(diǎn)】1．狹義相對論的基本假設(shè)。2．能辨析清晰在哪些狀況下考慮相對論效應(yīng)，哪些狀況下不必考慮?！窘虒W(xué)過程】一、新課導(dǎo)入19世紀(jì)后半葉，關(guān)于電磁場的探討不斷深化，人們相識到了光的電磁本質(zhì)。我們已經(jīng)知道，電磁波是以巨大且有限的速度傳播的，因此在電磁場的探討中不斷遇到一些沖突，這些沖突導(dǎo)致了相對論的出現(xiàn)。相對論不僅給出了物體在高速運(yùn)動時(shí)所遵循的規(guī)律，而且變更了我們對于時(shí)間和空間的相識，它的建立在物理學(xué)和哲學(xué)的發(fā)展史上樹立了一座重要的里程碑。二、新課教學(xué)（一）經(jīng)典的相對性原理老師：生活中的相對性隨處可見老師舉例：物體甲以3m/s向右運(yùn)動，物體乙以2m/s向右運(yùn)動，實(shí)際我們選什么做參考系的？學(xué)生：地面。老師：分別選地面和甲做參考系說出乙的運(yùn)動狀況？學(xué)生：以地面為參考系，乙的速度大小為2m/s，方向向右，以甲為參考系，乙的速度大小為1m/s，方向向左。老師：由以上實(shí)例我們歸納出兩點(diǎn)內(nèi)容：（1）探討物體的運(yùn)動必需選參考系。（2）同一運(yùn)動選不同參考系速度不肯定相同。老師：要探討物體運(yùn)到必需涉及到參考系概念，我們已經(jīng)駕馭了慣性系概念。學(xué)生：牛頓運(yùn)動定律成立的參考系，相對于一個慣性參考系做勻速直線運(yùn)動的另一個參考系也是慣性系。老師：下面我們通過一段材料，在不同慣性系中探討物體運(yùn)動狀況。老師組織學(xué)生分組探討完成：問題1．兩種不同的慣性參考系中視察到的各種現(xiàn)象有變更嗎？所遵守的力學(xué)規(guī)律都相同嗎？問題2．在一個慣性參考系內(nèi)進(jìn)行的任何力學(xué)試驗(yàn)?zāi)懿荒芡茢噙@個慣性系相對于另一個慣性參考系做勻速直線運(yùn)動？老師提問：伽利略相對性原理有兩種表述各是什么？學(xué)生回答：1．力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的。2．在一個慣性參考系內(nèi)進(jìn)行的任何力學(xué)試驗(yàn)都不能推斷這個慣性系是否相對于另一個慣性系做勻速直線運(yùn)動；或者說，任何慣性系都是平權(quán)的。（二）相對性原理與電磁規(guī)律老師：相對性原理簡潔自然，取得了巨大的成就，而且與生活閱歷一樣。因此很長時(shí)間沒有人懷疑，甚至思索過相對性原理。然而相對性原理在電磁學(xué)領(lǐng)域，探討光速問題遇到了麻煩。老師問題：相對性原理和電磁理論的沖突是什么？學(xué)生回答：麥克斯韋的電磁理論光速恒定，并不涉及參考系問題，相對性原理得出光速并不是對任何慣性系都一樣。老師提問：光相對參考系s和s’的速度分別多少？學(xué)生回答：光相對參考系s的速度是v，光相對參考系s’的速度是c-v。老師：光速相對不同慣性系并不肯定相同。老師通過課件演示，進(jìn)一步深化經(jīng)典相對性原理對光速問題說明。老師提問：麥克斯韋的電磁理論對光速問題的說明是什么？學(xué)生回答：麥克斯韋的電磁理論光速恒定，并不涉及參考系問題。老師設(shè)問：麥克斯韋的電磁理論真空中電磁波速是光速c是指在那個參考系中來說呢？有無這樣的特別的參考系呢？試驗(yàn)過程及事實(shí)是怎樣的呢？老師引出麥克爾遜—莫雷試驗(yàn)。老師介紹試驗(yàn)器材：光源、分光鏡、反射鏡M1、反射鏡M2老師通過師生互動介紹試驗(yàn)背景和試驗(yàn)過程：19世紀(jì)流行著一種“以太”學(xué)說，物理學(xué)家們曾經(jīng)猜想，有一種叫做以太的介質(zhì)，充滿在宇宙中，并把“以太”看作肯定慣性系，地球以每秒30公里的速度繞太陽運(yùn)動，相對以太速度也應(yīng)當(dāng)是每秒30公里，同時(shí)，它也必需對光的傳播產(chǎn)生影響。假設(shè)以太相對太陽靜止，儀器在試驗(yàn)坐標(biāo)系中相對于以太以公轉(zhuǎn)軌道速度v向右運(yùn)動。由經(jīng)典相對性原理光源發(fā)光經(jīng)分光鏡分成兩束光，光束1自左向右的速度為c+v，光束1經(jīng)反射鏡M1反射速度為c-v，再經(jīng)分光鏡投射到觀測屏。光束2自下向上與經(jīng)反光鏡M2反射自上向下的速度應(yīng)當(dāng)都為c2-v老師供應(yīng)視頻演示麥克爾遜—莫雷試驗(yàn)，并進(jìn)一步介紹兩束光在觀測屏形成干涉條紋。通過分析干涉條紋，得出兩個方向光速相同。試驗(yàn)結(jié)果：證明白光速與光源和測量者的相對運(yùn)動無關(guān)，亦即與參照系無關(guān)。否定了以太的存在。學(xué)生探討：當(dāng)試驗(yàn)事實(shí)和現(xiàn)有理論出現(xiàn)沖突的時(shí)候物理學(xué)家有幾種選擇。一是修改現(xiàn)有理論以迎合新的客觀事實(shí)；二是創(chuàng)新全新的理論。（三）狹義相對論的兩個基本假設(shè)老師指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)狹義相對論的兩個基本假設(shè)。老師提問：狹義相對論的兩個基本假設(shè)是什么？學(xué)生回答：1．相對性原理全部物理規(guī)律在一切慣性參考系中都具有相同的形式。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=3×108m/s）。老師介紹：就現(xiàn)在看來如此簡潔且最一般的兩個假設(shè)的基礎(chǔ)上愛因斯坦建立了一套完整的理論——狹義相對論。老師引導(dǎo)學(xué)生歸納并探討：對狹義相對論兩個基本原理的正確理解。①自然規(guī)律不僅包括力學(xué)規(guī)律，還包括電磁學(xué)規(guī)律等其他全部的物理學(xué)規(guī)律；②強(qiáng)調(diào)真空中的光速不變指大小既不依靠于光源或視察者的運(yùn)動，也不依靠于光的傳播方向。③幾十年來科學(xué)家采納各種先進(jìn)的物理技術(shù)測量光速，結(jié)果都不違反光速不變原理。物理規(guī)律必需以事實(shí)為依據(jù)。老師問題：狹義相對論的兩個基本假設(shè)，都有試驗(yàn)證明，為什么還要做假設(shè)？學(xué)生回答：有限的幾個試驗(yàn)，不能做出概括性的結(jié)論，只有再從這兩個假設(shè)動身，經(jīng)過邏輯推理（包括數(shù)學(xué)推導(dǎo)）所得出的大量結(jié)論都與事實(shí)相符，那時(shí)它們才能成為真正意義上的原理。就類似于數(shù)學(xué)中科學(xué)歸納法。老師引導(dǎo)學(xué)生閱讀：相對論的時(shí)空觀念與人們固有的時(shí)空觀念差別很大，很難被一般人所理解。人們都贊揚(yáng)愛因斯坦宏大，但又經(jīng)常弄不懂這宏大的內(nèi)容。這使人們想起英國詩人波譜歌頌牛頓的詩句：自然界和自然界的規(guī)律隱藏在黑暗中，上帝說：“讓牛頓去吧，”于是一切都成為光明。后人續(xù)寫道：上帝說完多少年之后，魔鬼說：“讓愛因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。老師向?qū)W生舉薦相對論入門書目：《從零學(xué)相對論》梁燦斌《時(shí)間簡史》斯蒂芬·霍金《狹義與廣義相對論淺說》愛因斯坦三、課堂溝通探討1．在封閉汽車的內(nèi)部，請你設(shè)計(jì)一個力學(xué)試驗(yàn)，來推斷汽車是加速還是勻速？這與狹義相對性原理沖突嗎？2．教室日光燈同時(shí)向同方向放出兩個光子，相對教室學(xué)生光子速度？一個光子相對另一光子速度？【練習(xí)鞏固】1．有甲、乙兩人，甲以2m/s的速度向東直線行走，乙以1.5m/s的速度向西直線行走，則甲相對于乙的速度大小為（）A．2m/sB．1.5m/sC．3.5m/sD．0.5m/s2．下列說法正確的是（）A．物理的基本規(guī)律在全部慣性系中都是等價(jià)的B．在真空中，光的速度與光的頻率、光源的運(yùn)動都無關(guān)C．在任何慣性系中，光在真空中沿隨意方向的傳播速度都相同D．以上說法均不正確3．一根沿自身長度方向運(yùn)動的直桿，其長度比靜止時(shí)（）A．長B．短C．相等D．不能確定4．一米長的標(biāo)尺以相對論速度穿過一根幾米長的管子，它們的長度都是在靜止?fàn)顟B(tài)下測量的。則以下能最恰當(dāng)?shù)孛枋鰳?biāo)尺穿過管子時(shí)的情形的是（）A．標(biāo)尺收縮變短，因此在某些位置上，管子能完全遮住標(biāo)尺B．標(biāo)尺伸展變長，因此在某些位置上，標(biāo)尺從管子的兩端伸出來C．兩者都收縮變短，且收縮量相等，因此在某個位置上，管子能恰好遮住標(biāo)尺D．全部情形都與視察者的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)5．原長為15m的飛船以9km/s的速率相對地面勻速飛行時(shí)，從地面上測量，它的長度為多少？假設(shè)飛船以0.9c的速率飛行，則從地面上測量，它的長度又為多少？從中你可以得到什么結(jié)論？6．一固定長度為90m的飛船，沿船身方向