關(guān)于相對論的誕生的教案
15.1 相對論的誕生
【教學(xué)目標(biāo)】
（一）知識與技能
1．理解經(jīng)典的相對性原理以及光的傳播與經(jīng)典的速度合成法則之間的矛盾。
2．理解狹義相對論的基本假設(shè)。
�。ǘ┻^程與方法
通過學(xué)習(xí)，提高分析物理現(xiàn)象與定理定律矛盾的能力。
�。ㄈ┣楦�、態(tài)度與價(jià)值觀
通過對本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，認(rèn)識科學(xué)假設(shè)在科學(xué)發(fā)現(xiàn)上的重要作用，進(jìn)一步理解邏輯推理的力量。
【教學(xué)重點(diǎn)】狹義相對論的兩個(gè)基本假設(shè)。
【教學(xué)難點(diǎn)】光速不變原理。
【教學(xué)方法】通過在具體實(shí)例中提出問題、揭示矛盾、引發(fā)學(xué)生思考，然后通過相對論假設(shè)進(jìn)行邏輯推理，得出結(jié)論。
【教學(xué)用具】投影儀及投影片。
【教學(xué)過程】
（一）引入新課
師：請同學(xué)們回憶一下什么是慣性系？什么是非慣性系？舉例說明。
生：牛頓運(yùn)動定律能夠成立的參考系叫慣性系，勻速運(yùn)動的汽車輪船等作為參考系就是慣性系。牛頓運(yùn)動定律不成立的參考系稱為非慣性系。例如我們坐在加速的車廂里，以車廂為參考系觀察路邊的樹木房屋向后方加速運(yùn)動，根據(jù)牛頓運(yùn)動定律，房屋樹木應(yīng)該受到不為零的合外力作用，但事實(shí)上沒有，也就是牛頓運(yùn)動定律不成立.這里加速的車廂就是非慣性系。
師：很好，根據(jù)慣性系的概念，不難推出，相對于一個(gè)慣性系做勻速運(yùn)動的另一個(gè)參考系也是慣性系。
（二）進(jìn)行新課
1．經(jīng)典的相對性原理
師：下面我們來研究一個(gè)簡單的力學(xué)問題。（投影問題）
如圖，在列車車廂的光滑水平面上有一個(gè)質(zhì)量為m=0.5 kg的小球，正隨車廂一起以20 m/s的速度勻速前進(jìn).現(xiàn)在給小球一個(gè)水平向前的F=5 N的拉力作用，求經(jīng)10 s時(shí)，車廂里的觀察者和地面的觀察者看到小球的速度分別是多少？
學(xué)生分析：對車上的觀察者
物體初速度v0=0
加速度a= =10 m/s2
10 s時(shí)速度v1=at=10 m/s
對地上的觀察者
方法一：物體初速度v0=20 m/s
加速度相同a= =10 m/s2
10 s末速度v2=v0+at=30 m/s
方法二：根據(jù)速度合成法則
v2=v1+v0=（10+20） m/s=30 m/s
師：通過這個(gè)例子大家看到，在兩個(gè)慣性系中，雖然觀察到的結(jié)果并不相同，一個(gè)是10 m/s,另一個(gè)是30 m/s，但我們卻應(yīng)用了同樣的運(yùn)動定律和速度合成法則，也就是說，我們相信：力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的。這就是伽利略相對性原理。在一個(gè)慣性參考系內(nèi)的任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都無法判斷這個(gè)參考系是否相對于另一個(gè)參考系做勻速運(yùn)動或者說任何參考系都是平權(quán)的。
（教師還可引導(dǎo)學(xué)生舉例說明相對性原理，并進(jìn)行討論）
2．相對性原理與電磁規(guī)律
師：請大家看課本圖15.1－1，考慮幾個(gè)問題：
�。�1）參考系O′相對于參考系O靜止時(shí)，人看到的光速應(yīng)是多少？
（2）參考系O′相對于參考系O以速度v向右運(yùn)動，人看到的光速應(yīng)是多少？
�。�3）參考系O′相對于參考系O以速度v向左運(yùn)動，人看到的光速又是多少？
生：第一種情況人看到的光速應(yīng)是c，第二種情況應(yīng)是c+v，第三種情況應(yīng)是c-v。
師：說說你們判斷依據(jù)。
生：根據(jù)速度合成的法則。
師：大家認(rèn)為對嗎？
�。▽W(xué)生一致認(rèn)為正確）
師：如果這個(gè)法則有問題呢？
�。▽W(xué)生沉默）
師：實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn)，我們是不是可以通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)?zāi)�？回答是肯定的，這就是著名的麥克爾遜測定光速的實(shí)驗(yàn)，同學(xué)們應(yīng)該有印象。
生：不論光源和觀察者怎樣運(yùn)動，光速都是相同的。
師：這與我們從速度合成法則推導(dǎo)的結(jié)論發(fā)生了矛盾.問題出在哪里呢？
3．狹義相對論的兩個(gè)基本假設(shè)
師：這一矛盾，不僅對我們的推理給予否定，還對麥克斯韋電磁場理論提出了挑戰(zhàn)：要么否定特殊參考系O的存在，要么放棄麥克斯韋電磁場理論.愛因斯坦選擇了后者，提出了兩條假設(shè)：（投影）
�。�1）在不同的`慣性系中，一切物理規(guī)律都是相同的。（愛因斯坦相對性原理）
�。�2）真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的。（光速不變原理）
生：為什么這兩個(gè)結(jié)論被稱為假設(shè)呢？
師：雖然這兩個(gè)假設(shè)可以由麥克爾遜實(shí)驗(yàn)直接推出，但這畢竟是有限的幾次實(shí)驗(yàn)，只有用這個(gè)假設(shè)得出大量的結(jié)論與事實(shí)相符時(shí)，它們才能成為真正意義上的原理，這才是科學(xué)的態(tài)度。
�。ㄈ┱n堂總結(jié)、點(diǎn)評
本節(jié)課我們通過復(fù)習(xí)慣性系概念，理解了經(jīng)典的相對性原理。
通過光速實(shí)驗(yàn)引起的困難，理解了光的傳播與經(jīng)典理論的矛盾。
學(xué)習(xí)了狹義相對論的兩個(gè)基本假設(shè)。
�。ㄋ模┱n余作業(yè)
完成P107“問題與練習(xí)”的題目。
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