1、高速世界 教学设计 知识技能要求: 1、知道相对性原理和光速不变原理 2、 知道两个基本原理的重要地位 过程与方法要求: 1、经典时空观与迈克尔逊莫雷实验的矛盾 2、爱因斯坦对电磁 场理 论的深入研究,勇敢地抛弃 “以太”论,指出经 典时空观在高速领域的谬误。 3、相对论两个基本原理的提出及合狭义相对论的建立。 情感、态度、 价值观: 1、量变引起质变的辩证法思想在科学领域的体现。 2、通过观察实验或思想实验,培养学生注重实验事实、实事求是的科学态 度。 3、敢于创新,才有所突破。 重点、难点:两个基本原理及其理解 教学过程: 导入:在经典力学中,力学定律在所有惯性学中都相同的形式,这个结论
2、叫伽利略相对性原理。但当人们把相对性原理运用到电磁学领域中时,却和麦 克斯韦理论发生了矛盾。 从电磁现象总结出来的方程组,可得出电磁波在真空 中的传播速度 C,按伽利略变换,如果物质运动速度相对于某一参考学为 C,则 变换到另一参考学时,其速度就不可能沿各个方向都是 C。则电磁波也只能够 对一个特定参考学的传播速度是 C,因而麦氏方程组只能对该特殊参考系成立 。于是坚持经典时空观的科学家们很快就引入了一个“以大”(一种充满宇宙 空间,无处不在看不见摸不着的非物质媒质),这个绝对静止的参考系。光速 C 即是相对于“以太”的速度。 一、迈克尔逊莫雷实验: 基于经典时空观中运动合成的原理,当 地球以
3、一定的速度 相对于以太 运动时,静止在地球上的人观测到该光速为 C,那么,此人测得向他迎面而 来的光速为 C=C+,而与他同方向传播的该光速为 C=C-;为了证明以太 的存在,迈克尔逊设计了一种干涉仪;地球的公转产生相对于以太的运动,因 而地 球运动的平行方向与垂直方向之间,光通过同一距离的时间应当不相同, 但测量的结果 是否定的,一干涉花纹并未发生移动。几年后,迈克尔逊同精通 物理和数学的化学家莫雷合作,改进实验装置, 重做了干涉实验,结果仍未发 现条纹有任何移动,于是他们非常失望。如果确信实验正确,则意味着无法用 经典时空观来解释该现象,于是陷入了迷茫无法解释该 实验现象。 二、爱因斯坦两
4、个基本原理的提出 为了能更好的解释“迈一莫”实验,洛仑兹提出了长度收缩假说。但这只 是从数学上拼凑出来的假说,缺乏物理依据,存在致命弱点 爱因斯坦在深入研究由磁学理论后,敢于彻底抛弃以太,提出了与经典时 空观绝然不同的 新时空观,提出了两个基本假设,从而创立了相对论: 1、相对性原理:物理规律在一切惯性系中都具有相同的形式。 2、光速不变原理:在一切惯性学中,测量到的真空中的光速都一样。 注:惯性系:一 切静止或匀 速运动的参考学。 相对性原理表明:对某个物理过程的描述的物理定律的形式与惯性系无关 。 光速不变原理表明:在一切惯性学中观察真空中的光速,无论任何方向, 其速度均为 C,与光源或观察者的运动无关 这正是迈克尔逊莫雷实验的结果 三、狭义相对论建立的伟大意义 1、它从根本上变革了 作为经典物理学基础的绝对时空观,提出了 时间与 空间相联系的相对时空观,开创了物理学的新纪元。传统的经典时空观只是低 速领域的一种特例。 2、相对论力学揭示了物质和运动的内在联系,物体质量在高速运动中明显 与运动速度有关。