15.1 相对论的诞生 教案

15.1相对论的诞生
教学目标
相对论的诞生的历史背景
经典的相对性原理
相对性原理与电磁规律
4.狭义相对论的两个基本假设
教学重点
狭义相对论的两个基本假设
教学方法
多媒体展示法 讨论法 讲授法
教学过程
一、相对论的诞生的历史背景
19世纪末，以牛顿运动定律、经典热力学、电磁场理论为主要内容的经典力学建立了完整的科学体系.物理学的晴朗的天空中有两片小小的、令人不安的乌云，一个是与黑体辐射有关，另一个与光速有关，这直接导致了量子力学和相对论的建立，这两大理论是近代物理学的标志。
二、经典的相对性原理
1.惯性系
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.
2.伽利略相对性原理
力学规律在任何惯性系中都是相同的.
任何惯性系都是平权的。
三、相对性原理与电磁规律
1.经典力学遇到的困难
在经典力学中如果某一惯性系相对另一惯性系的速度为v，在此惯性系中有一物体速度为c，那么，此物体相对于另一惯性系的速度是c+v吗？根据经典力学理论是肯定的，但是这种答案被迈克尔逊的实验否定了.迈克尔逊实验证明了光速是不变的.这和传统的速度合成法是矛盾的.
2.如何解决矛盾？
科学家们的猜想：
（1）电磁理论是错误的。
（2）电磁理论在特殊的参考系中成立，提出以太说。
（3）建立新的理论。
3.迈克尔逊—莫雷实验的结论
迈克尔逊—莫雷实验
利用迈克尔逊干涉仪 实验介绍
结论：光的传播速度与参考系（地球）运动的方向和大小无关.
四、狭义相对论的两个基本假设
1.爱因斯坦相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的.
辨析比较 两个相对性原理的区别
对于伽利略的相对性原理来说，参考系中的坐标单位与参考系的运动无关；参考系中的时间与参考系的运动无关.其速度合成规律应满足v=v′+u.v′是某个惯性系相对另一个惯性系的速度，u是物体相对某个惯性系的速度，那么，物体相对另一个惯性系的速度为v=v′+u.以此类推，若u是光速c，则在某个惯性系的光速相对于另一个惯性系的速度为v=v′+c .那么，光速是可以变大或变小的（在真空中）.
对于狭义相对论的相对性原理来说，力学规律对惯性系来说都是相同的，但是光速是不变的.由于光速是不变的，造成了与经典理论一些不同的结论.这些结论在低速的世界里不易搞清，但从天体的物理现象中却得到了证实.
2.光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都相同.
深化升华 还要大量的实验来证明，还要经过逻辑推理的大量结论来验证才能成为真正的原理.
例1如图15-1-2所示，在列车车厢的光滑水平面上有一个质量为m=5 kg的小球，正随车厢一起以20 m/s的速度匀速前进，现在给小球一个水平向前的F=5 N的拉力作用，求经10 s
时，车厢里的观察者和地面上的观察者看到小球的速度分别是多少？
图15-1-2
解析：利用经典力学的相对性原理进行计算.
答案：对车上的观察者：
物体的初速度v0=0,加速度a==1 m/s2,10 s时速度v1=at=10 m/s.
对地面上的观察者：
物体初速度v0=20 m/s
加速度相同a==1 m/s2
10 s末速度v2=v0 +at=30 m/s.
方法归纳 在两个惯性系中，虽然观察到的结果并不相同，一个是10 m/s，另一个是30 m/s，但我们却应用了同样的运动定律和速度合成法则，也就是说，力学规律在任何惯性系中都是相同的.
知识点二 光速不变原理
例2考虑以下几个问题：
（1）如图15-1-3所示，参考系O′相对于参考系O静止时，人看到的光速应是多少？
（2）参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动，人看到的光速应是多少？
（3）参考系O相对于参考系O′以速度v向左运动，人看到的光速又是多少？
图15-1-3
解析：根据速度合成法则，第一种情况人看到的光速应是c，第二种情况应是c+v，第三种情况应是（c-v）.而根据狭义相对理论，光速是不变的，都应是c.
答案：三种情况都是c.