關于相對論的誕生的教案
15.1 相對論的誕生
【教學目標】
（一）知識與技能
1．理解經典的相對性原理以及光的傳播與經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。
（二）過程與方法
通過學習，提高分析物理現象與定理定律矛盾的能力。
（三）情感、態度與價值觀
通過對本節內容的學習，認識科學假設在科學發現上的重要作用，進一步理解邏輯推理的力量。
【教學重點】狹義相對論的兩個基本假設。
【教學難點】光速不變原理。
【教學方法】通過在具體實例中提出問題、揭示矛盾、引發學生思考，然后通過相對論假設進行邏輯推理，得出結論。
【教學用具】投影儀及投影片。
【教學過程】
（一）引入新課
師：請同學們回憶一下什么是慣性系？什么是非慣性系？舉例說明。
生：牛頓運動定律能夠成立的參考系叫慣性系，勻速運動的汽車輪船等作為參考系就是慣性系。牛頓運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動，根據牛頓運動定律，房屋樹木應該受到不為零的合外力作用，但事實上沒有，也就是牛頓運動定律不成立.這里加速的車廂就是非慣性系。
師：很好，根據慣性系的概念，不難推出，相對于一個慣性系做勻速運動的另一個參考系也是慣性系。
（二）進行新課
1．經典的相對性原理
師：下面我們來研究一個簡單的力學問題。（投影問題）
如圖，在列車車廂的光滑水平面上有一個質量為m=0.5 kg的小球，正隨車廂一起以20 m/s的速度勻速前進.現在給小球一個水平向前的F=5 N的拉力作用，求經10 s時，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：根據速度合成法則
v2=v1+v0=（10+20） m/s=30 m/s
師：通過這個例子大家看到，在兩個慣性系中，雖然觀察到的結果并不相同，一個是10 m/s,另一個是30 m/s，但我們卻應用了同樣的運動定律和速度合成法則，也就是說，我們相信：力學規律在任何慣性系中都是相同的。這就是伽利略相對性原理。在一個慣性參考系內的任何力學實驗都無法判斷這個參考系是否相對于另一個參考系做勻速運動或者說任何參考系都是平權的。
（教師還可引導學生舉例說明相對性原理，并進行討論）
2．相對性原理與電磁規律
師：請大家看課本圖15.1－1，考慮幾個問題：
（1）參考系O′相對于參考系O靜止時，人看到的光速應是多少？
（2）參考系O′相對于參考系O以速度v向右運動，人看到的光速應是多少？
（3）參考系O′相對于參考系O以速度v向左運動，人看到的光速又是多少？
生：第一種情況人看到的光速應是c，第二種情況應是c+v，第三種情況應是c-v。
師：說說你們判斷依據。
生：根據速度合成的法則。
師：大家認為對嗎？
（學生一致認為正確）
師：如果這個法則有問題呢？
（學生沉默）
師：實踐是檢驗真理的標準，我們是不是可以通過實驗來檢驗呢？回答是肯定的，這就是著名的麥克爾遜測定光速的實驗，同學們應該有印象。
生：不論光源和觀察者怎樣運動，光速都是相同的。
師：這與我們從速度合成法則推導的結論發生了矛盾.問題出在哪里呢？
3．狹義相對論的兩個基本假設
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：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：（投影）
（1）在不同的`慣性系中，一切物理規律都是相同的。（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：為什么這兩個結論被稱為假設呢？
師：雖然這兩個假設可以由麥克爾遜實驗直接推出，但這畢竟是有限的幾次實驗，只有用這個假設得出大量的結論與事實相符時，它們才能成為真正意義上的原理，這才是科學的態度。
（三）課堂總結、點評
本節課我們通過復習慣性系概念，理解了經典的相對性原理。
通過光速實驗引起的困難，理解了光的傳播與經典理論的矛盾。
學習了狹義相對論的兩個基本假設。
（四）課余作業
完成P107“問題與練習”的題目。
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