高中物理课堂教学教案 年 月 日
课 题
15．1 相对论的诞生
新授课
1课时
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 手 段
多媒体课件
教学活动
介绍相对论诞生的历史背景
①以太的研究（鲁科版较详细）
以太透明；以太的密度很小（光速很大）；以太很硬（电磁波为横波）；以太无所不在，充满整个空间。
②光速的测量
斐索光速测定
③迈克尔逊-莫雷实验
实验原理图 实验干涉条纹
实验意义：
以太不存在；暗示真空中光速在任何参考系都不变；复习光的干涉现象
一、经典的相对性原理
①运动的相对性
中国古代研究：《尚书纬．考灵曜》（约东汉时代）
“地有四游，冬至地上行北而西三万里，夏至地下行南而东三万里，春秋两分是其中矣。地恒动而人不知，譬如闭舟而行不觉舟之运也。”
②伽里略相对性原理
《关于两种世界体系的对话》：“把你和朋友关在一条大船下的主舱里，让你们带着几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫，舱内放一只大水碗，其中有几条鱼，然后挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐里，船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向舱内各方向飞行；鱼向各个方向随便游动；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，向这一方向不必比另一方向施更多的力。当船以任何速度前进，只要是匀速的，你将发现，上述观察的现象依旧，你无法用任何现象判定船是运动还是不动……”
伽里略坐标变换公式
伽里略速度变换公式
③牛顿力学的不变性m′=m
F′＝F
F＝ma F′＝m′a′
力学规律在任何惯性参考系中都是相同的。
还可以表述为：
在任何惯性参考系中无法用任何力学实验判断该参考系相当于另一个参考系是静止的还是做匀速直线运动，即任何惯性参考系都是平权的。
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。
三、狭义相对论的两个基本假设
狭义相对论的两个基本原理：
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。
四、小结：
五、课堂练习 课本P 1、2、3
学 生 活 动
作 业
《创新课时练》 P61 －P62
板 书 设 计
15．1 相对论的诞生
一、经典的相对性原理
力学规律在任何惯性系中都是相同的
二、电磁理论与伽利略的相对性原理发生矛盾
三、狭义相对论的两点假设
（1）狭义相对性原理
一切物理规律在惯性系中都是相同的
（2）光速不变
光在真空中的向各个方向的速度都相同，即光的速度与光源、观察者的运动情况无关。
教 学 后 记
课件13张PPT。第一节 相对论的诞生世界物理年徽标（1）了解经典的相对性原理
①运动的相对性
中国古代研究：《尚书纬．考灵曜》
“地恒动而人不知，譬如闭舟而行不觉舟之运也。”
②伽里略相对性原理
《关于两种世界体系的对话》： “理想船实验”
伽里略速度变换公式 ：③牛顿力学的不变性： 伽利略相对性原理? 1632年，伽利略发表了《关于两种世界体系的对话》一书，其中对船舱里观察到的现象有一段生动的描述：“……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，向这一方向不必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……”伽利略这段描述说明：在相对于地面做匀速直线运动的船舱里所进行的力学实验和观测，其结果与地面上的力学实验和观测结果没有差异。不能根据在船舱内的力学实验和观测，来判断船相对于地面是静止还是运动。正如地球以30千米/秒的速度相对太阳而运动，我们却丝毫没有感觉地球在运动一样，也不能根据地面上的力学实验来直接判断地球的公转。这是因为地面上和船舱里的力学规律具有相同的形式。牛顿第二定律的形式F＝ma，在静止的船上和做匀速直线运动的船上是相同的。牛顿运动定律是经典力学的基础，凡是牛顿运动定律成立的参照系，称为惯性参照系，或简称惯性系。地面参照系是惯性系，相对地面做匀速直线运动的船也是惯性系。一般而言，相对惯性系做匀速直线运动的任何参照系，都是惯性系。牛顿运动定律成立的参考系，称为惯性参考系，简称惯性系．牛顿运动定律不成立的参考系，
称为非惯性系．综上所述，相对任何惯性系，力学规律都具有相同的形式。换言之，在描述力学的规律上，一切惯性系都是等价的。这一原理称为伽利略相对性原理，或经典力学的相对性原理。（2）知道狭义相对论的两个基本假设
狭义相对论的两个基本原理：
①相对性原理
一切物理定律，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 ③迈克尔逊-莫雷实验实验原理图 实验干涉条纹 电磁理论与经典的运动学理论的矛盾 19世纪中叶，麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁理论，又称麦克斯韦电磁场方程组。麦克斯韦电磁理论不但能够解释当时已知的电磁现象，而且预言了电磁波的存在，确认光是波长较短的电磁波，电磁波在真空中的传播速度为一常数，c＝3.0×108米/秒，并很快为实验所证实。
从麦氏方程组中解出的光在真空中的传播速度与光源的速度无关。如果光波也和声波一样，是靠一种媒质(以太)传播的，那么光速相对于绝对静止的以太就应该是不变的。科学家们为了寻找以太做了大量的实验，其中以美国物理学家迈克耳孙和莫雷实验最为著名。这个实验不但没能证明以太的存在，相反却宣判了以太的死刑，证明光速相对于地球是各向同性的。但是这却与经典的运动学理论相矛盾。爱因斯坦分析了物理学的发展，特别是电磁理论，于1905年提出了狭义相对论。狭义相对论的基本原理可表述于下：
1.相对性原理 ?相对任何惯性系，包括电磁理论在内的物理规律具有相同的形式。也就是说，没有任何物理实验能确定一个惯性系的运动状态。
2.光速不变原理 ?相对任何惯性系，真空中的光速都是一个常量，c＝3.0×108米/秒，与传播的方向无关，与光源的速度也无关。作业P100 1 2 3
