《1相對論的誕生》教學(xué)設(shè)計(遼寧省市級優(yōu)課)-物理教案

《15.1相對論的誕生》教學(xué)設(shè)計教學(xué)目標(biāo)一、知識與技能：（1）了解相對論誕生的歷史背景，知道麥克耳孫一莫雷實驗（2）了解經(jīng)典的相對性原理（3）知道相對性原理與電磁規(guī)律之間的矛盾（4）知道狹義相對論的兩個基本假設(shè)二、過程與方法：

（1）了解對經(jīng)典物理學(xué)內(nèi)部矛盾的探索過程（2）理解愛因斯坦建立相對論的科學(xué)探究思想和邏輯推理方法三、情感態(tài)度價值觀：明確物理理論的發(fā)展的基礎(chǔ)——實驗教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)狹義相對論的兩點(diǎn)假設(shè)教學(xué)過程設(shè)計介紹相對論誕生的歷史背景：展示物理學(xué)家，并介紹19世紀(jì)末期，以經(jīng)典力學(xué)、熱力學(xué)和統(tǒng)計物理學(xué)、電磁場理論為主要內(nèi)容的物理學(xué)形成了完整的科學(xué)體系，幾乎可解釋自然界所有物理現(xiàn)象，因此在1900年，著名物理學(xué)家威廉·湯姆孫在英國皇家學(xué)會新年慶祝會上將物理學(xué)贊譽(yù)為“一座莊嚴(yán)雄偉的建筑體系和動人心弦的美麗廟堂”。科學(xué)大廈已基本完成，未來的物理學(xué)家只要做一些修修補(bǔ)補(bǔ)的工作就可以了。不過他也承認(rèn)，“明朗的天空還有兩朵小小的、令人不安的烏云”。一朵與黑體輻射有關(guān)，一朵與光速有關(guān)。一、經(jīng)典的相對性原理1.慣性系：在有些參考系中，不受力的物體會保持靜止或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)。這樣的參考系叫做慣性參考系，簡稱慣性系。一個慣性系相對于另一個慣性系做勻速直線運(yùn)動。提出問題：在不同的慣性參考系中，人們觀察到的現(xiàn)象可能不同。例如在勻速行駛的大船上看，桅桿上掉下來的物體沿直線運(yùn)動；在岸邊看，這個物體沿拋物線運(yùn)動……（1）如果你是船上的觀察者，你怎樣用高中物理知識解釋物體的運(yùn)動？（2）如果你是岸邊的觀察者，你怎樣用高中物理知識解釋物體的運(yùn)動？（3）在你分別以船和地面為參考系研究上述問題時，你用到了哪些高中物理的知識？它們在這兩個參考系中是否都是正確的？2.運(yùn)動的相對性中國東漢：《尚書緯．考靈曜》“地恒動而人不知，譬如閉舟而行不覺舟之運(yùn)也。”伽利略相對性原理

1632年，伽利略發(fā)表了《關(guān)于兩種世界體系的對話》一書，其中對船艙里觀察到的現(xiàn)象有一段生動的描述：“……船停著不動時，你留神觀察，小蟲都以等速向各方向飛行，魚向各個方向隨意游動，水滴滴進(jìn)下面的罐中；你把任何東西扔給你的朋友時，只要距離相等，向這一方向不必比向另一方向用更多的力，你雙腳齊跳，無論向哪個方向跳過的距離都相同。當(dāng)你仔細(xì)觀察這些事情之后，再使船以任何速度前進(jìn)，只要運(yùn)動是勻速的，也不忽左忽右地擺動，你將發(fā)現(xiàn)，所有上述現(xiàn)象絲毫沒有變化。你也無法從其中任何一個現(xiàn)象來確定，船是在運(yùn)動還是停著不動……”問題與練習(xí)：假設(shè)你正坐在一列火車的車廂中，你能想出幾個辦法來分辨火車是靜止的還是在做勻速運(yùn)動。這些辦法是否都同火車外的世界有某種聯(lián)系？3.伽利略相對性原理表述一：力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的另一表述為：在一個慣性參考系內(nèi)進(jìn)行的任何力學(xué)實驗都不能判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)律之間的矛盾相對性原理簡單自然，取得了巨大的成就，而且與生活經(jīng)驗一致。因此很長時間沒有人懷疑甚至認(rèn)真思考過它矛盾激發(fā)：麥克斯韋的電磁理論光速恒定，并不涉及參考系問題，那么麥克斯韋的電磁理論真空中光速C是指在那個參考系中來說呢?有無這樣的特殊的參考系呢？實驗事實是怎樣的呢？19世紀(jì)后半葉和20世紀(jì)初，物理學(xué)家們曾經(jīng)猜想有一種叫做以太的介質(zhì)，彌漫在宇宙中，它是電磁波傳播時所需要的介質(zhì)，拿以太做參考系時麥克斯韋的電磁理論才成立．今天看來，以太是某一特殊參考系的代表．邁克爾孫-莫雷實驗結(jié)果：證明了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。1905年以前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些電磁現(xiàn)象與經(jīng)典物理概念相“抵觸”，它們是：①邁克耳孫－莫雷實驗沒有觀測到地球相對于以太的運(yùn)動，同經(jīng)典物理學(xué)理論的“絕對時空”和“以太”概念產(chǎn)生矛盾。②運(yùn)動物體的電磁感應(yīng)現(xiàn)象表現(xiàn)出相對性——是磁體運(yùn)動還是導(dǎo)體運(yùn)動其效果一樣。③電子的電荷與慣性質(zhì)量之比（荷質(zhì)比）隨電子運(yùn)動速度的增加而減小。此外，電磁規(guī)律（麥克斯韋方程組）在伽利略變換下不是不變的，即是說電磁定律不滿足牛頓力學(xué)中的伽利略相對性原理。三、狹義相對論的兩個基本假設(shè)上述的矛盾使物理學(xué)家面臨兩個選擇，一是修正現(xiàn)有的理論，去迎合實驗結(jié)果（這相對比較容易，但常常無效）；另一種主張徹底擺脫“麥克斯韋電磁理論只適用于某一特殊的慣性系”，創(chuàng)立全新的理論。愛因斯坦、龐加萊等人選擇了后者．并提出了兩個假設(shè)：①狹義相對性原理———切物理定律，在不同的慣性系中是相同的；②光速不變原理——光在真空中的傳播速度在不同的慣性系中測得的數(shù)值都是相同的，與光源、觀察者是否相對運(yùn)動無關(guān)。對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)律等其他所有的物理學(xué)律；②強(qiáng)調(diào)真空中的光速不變指大小既不依賴于光源或觀察者的運(yùn)動，也不依賴于光的傳播方向③幾十年來科學(xué)家采用各種先進(jìn)的物理技術(shù)測量光速，結(jié)果都不違背光速不變原理。相對論的時空觀念與人們固有的時空觀念差別很大，很難被普通人所理解。對愛因斯坦的介紹和對學(xué)生的啟迪20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家，創(chuàng)造了科學(xué)史上史無前例的奇跡，推動了整個物理學(xué)理論的革命。1905年——愛因斯坦（26歲）的豐收年：﹡6月：發(fā)表了《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個啟發(fā)性觀點(diǎn)》，提出光量子說。因此獲1921年諾貝爾獎。﹡7月：發(fā)表了《分子大小的新測定》、《關(guān)于熱的分子運(yùn)動論所要求的靜止液體中懸浮小粒子的運(yùn)動》，間接證明了分子的存在。﹡9月：發(fā)表論文《論動體的電動力學(xué)》和《物體的慣性是否決定其內(nèi)能》，提出狹義相對論。（1915年提出廣義相對論）﹡11月：發(fā)表了《物體的慣性是否決定其內(nèi)能》，提出質(zhì)能方程E=mc２的論文，質(zhì)能方程是制造原子彈的理論基礎(chǔ)之一。1905年，在現(xiàn)代科學(xué)史中，被稱為“愛因斯坦奇跡年”。20世紀(jì)的物