高中物理第六章相对论第1节经典时空观第2节狭义相对论的两个基本假设教案教科版选修3-4

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1、第1节经典时空观第2节狭义相对论的两个基本假设教学目标1.了解经典的相对性原理.2.知道狭义相对论的两个基本假设.3.了解对经典物理学内部矛盾的探索过程，理解爱因斯坦建立相对论的科学探究思想和逻辑推理方法.重点难点重点：狭义相对论的两个基本假设难点：牛顿力学中运动的相对性设计思想通过本节教学应使学生了解，牛顿力学和相对论建立之前的整个经典物理学都是建立在绝对时空概念的基础上，在人类活动的低速运行“正常”范围内是非常准确的。在该概念下,经典力学定律、伽利略变换和力学相对性原理三者是自洽的、和谐一致的。但是在这个范围以外，牛顿物理学的结论就与观测结果不一致，它揭示了经典物理内在

2、的某些基本矛盾。自然界不存在特殊的惯性系，不仅力学规律，而且其他规律，包括电磁规律，在不同惯性系屮都具有相同形式，并通过光束不变原理，构建崭新的时空观，为后面的学习打下基础。教学资源多媒体课件教学设计【课堂学习】学习活动一：伽利略相对性原理对力学规律而言，所有的惯性系都是等价的或在一个惯性系中，所作的任何理学实验都不能够确定这一惯性系本身是静止状态，还是匀速直线运动。力学中不存在绝对静止的概念，不存在一个绝对静止优越的惯性系。1.在任何惯性参考系中，力学的规律都是一样的，都可以用牛顿定律來描述。2.地而参考系或相对于它做匀速直线运动的的参考系都可当作惯性系。学习活动二：经典

3、时空观设当0与0’重合时t二二0作为记时的起点,同一事件：K系中(x,y,z,t)按经典观念:"系屮(x，,xz=X-vty,=y或『，*,t‘)X=x'+vt'y=yz/z=zt=t‘zz所谓绝对吋空：1.时间：时间间隔的绝对性与同时的绝对性，即4/=Ar,tf=t。时间是与参照系无关的不变量。2.空间：若有一把尺子，两端坐标分别为K屮：Pi(xi,yi,zi,ti),P2(X2,y2,z2>t2)K‘中：(x/,y/,z/,I')IF(X2‘，y2z,z2z,t‘)有Ar=^/Ax2+Ay2+Az2,Arz=JzXx"+Ay"+Az"由f=t,得4r=Ar即：长度(空

4、间间隔)是与参照系无关的不变量或长度(空间间隔)的绝对性。『=aa^aBU/_/dy一J=az且认为F‘=F,m7=m因此：在K/中，有戸二m'W,得K中F=ma由牛顿的绝对时空以及“绝对质量”的概念，得到牛顿相对性原理。总•结：牛顿定律在所有惯性系都具有相同的表述形式，即牛顿定律在伽利略变换下是协变的，牛顿力学符合力学相对性原理。学习活动三：伽利略速度变换问题1：小丽相对于车厢以速率卩向前跑时，她对地面的速率是多少？问题2：小丽相对于车厢以速率y向后跑时，她对地面的速率是多少？V—U-V小结：速率从一个参考系变换到另一个参考系的关系式称为伽利略速度变换公式。学习活动四：爱

5、因斯坦相对性原理相对性原理与电磁规律之间的矛盾：麦克斯韦电磁理论的困难：光是电磁波；由于真空介电常数和磁导率是与参考系无关的常量，因此C也应是与参考系无关。这就是说在任何参考系中测得的光在真空中的速度都应该是同一数值。但是，根据相刈性原理，若以C表示某一参考系K中测得的真空中光的速度,c‘为以u运动的K'系中测得的光在真空中的速度，根据伽利略变换，就应有：c'=c——U矛盾激发：“在不同的惯性系中光速不同”一一“任何参考系中光速度都应该是同一数值”，说明相对性原理涉及到接近光速的高速领域产生了明显的困难。当时人们为了解决这个困难，提出了三种可能：(1)麦克斯韦电磁理论有错，

6、正确的电磁方程组应满足伽利略不变性。(2)牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对，但麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立。(3)牛顿力学与伽利略变换不对，应存在某种变换，麦克斯韦电磁理论在这种新的变换下具有不变性°这意味着经典牛顿力学要作修改，修改后的力学方程在新的变换下具有不变性。对不同的惯性系，物理规律(包括力学的和电磁的)都是一样的，这是爱因斯坦狭义相对论的第一个基本假设。学习活动五：光速不变原理光在真空屮运动的速度在任何惯性系屮测得的数值都是相同的，这是爱因斯坦狭义相对论的第二个假设。对两个基本原理的正确理解：①自然规律不仅包扌舌力学规律，还包扌舌电磁学规律等其他所有的

7、物理学规律；②强调真空屮的光速光速不变指大小既不依赖于光源或观察者的运动，也不依赖于光的传播方向。①几十年來科学家采用各种先进的物理技术测量光速，结果都不违背光速不变原理。【课堂小结】【板书设计】第一、二节牛顿力学中运动的相对性相对论的两个基本假设一、伽利略相对性原理1、在任何惯性参考系中，力学的规律都是一样的，都对以用牛顿定律來描述。2、地面参考系或相对于它做匀速直线运动的的参考系都可当作惯性系。二、经典时空观牛顿定律在所有惯性系都具有相同的表述形式，即牛顿定律在伽利略变换下是协变的,牛顿力学符合力学相对性原理。