《1相对论的诞生》教学设计(辽宁省市级优课)-物理教案

《15.1相对论的诞生》教学设计教学目标一、知识与技能：（1）了解相对论诞生的历史背景，知道麦克耳孙一莫雷实验（2）了解经典的相对性原理（3）知道相对性原理与电磁规律之间的矛盾（4）知道狭义相对论的两个基本假设二、过程与方法：

（1）了解对经典物理学内部矛盾的探索过程（2）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三、情感态度价值观：明确物理理论的发展的基础——实验教学重点、难点狭义相对论的两点假设教学过程设计介绍相对论诞生的历史背景：展示物理学家，并介绍19世纪末期，以经典力学、热力学和统计物理学、电磁场理论为主要内容的物理学形成了完整的科学体系，几乎可解释自然界所有物理现象，因此在1900年，著名物理学家威廉·汤姆孙在英国皇家学会新年庆祝会上将物理学赞誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂”。科学大厦已基本完成，未来的物理学家只要做一些修修补补的工作就可以了。不过他也承认，“明朗的天空还有两朵小小的、令人不安的乌云”。一朵与黑体辐射有关，一朵与光速有关。一、经典的相对性原理1.惯性系：在有些参考系中，不受力的物体会保持静止或匀速直线运动状态。这样的参考系叫做惯性参考系，简称惯性系。一个惯性系相对于另一个惯性系做匀速直线运动。提出问题：在不同的惯性参考系中，人们观察到的现象可能不同。例如在匀速行驶的大船上看，桅杆上掉下来的物体沿直线运动；在岸边看，这个物体沿抛物线运动……（1）如果你是船上的观察者，你怎样用高中物理知识解释物体的运动？（2）如果你是岸边的观察者，你怎样用高中物理知识解释物体的运动？（3）在你分别以船和地面为参考系研究上述问题时，你用到了哪些高中物理的知识？它们在这两个参考系中是否都是正确的？2.运动的相对性中国东汉：《尚书纬．考灵曜》“地恒动而人不知，譬如闭舟而行不觉舟之运也。”伽利略相对性原理

1632年，伽利略发表了《关于两种世界体系的对话》一书，其中对船舱里观察到的现象有一段生动的描述：“……船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向各方向飞行，鱼向各个方向随意游动，水滴滴进下面的罐中；你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不必比向另一方向用更多的力，你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相同。当你仔细观察这些事情之后，再使船以任何速度前进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右地摆动，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化。你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动……”问题与练习：假设你正坐在一列火车的车厢中，你能想出几个办法来分辨火车是静止的还是在做匀速运动。这些办法是否都同火车外的世界有某种联系？3.伽利略相对性原理表述一：力学规律在任何惯性系中都是相同的另一表述为：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动；或者说，任何惯性系都是平权的。二、相对性原理与电磁规律之间的矛盾相对性原理简单自然，取得了巨大的成就，而且与生活经验一致。因此很长时间没有人怀疑甚至认真思考过它矛盾激发：麦克斯韦的电磁理论光速恒定，并不涉及参考系问题，那么麦克斯韦的电磁理论真空中光速C是指在那个参考系中来说呢?有无这样的特殊的参考系呢？实验事实是怎样的呢？19世纪后半叶和20世纪初，物理学家们曾经猜想有一种叫做以太的介质，弥漫在宇宙中，它是电磁波传播时所需要的介质，拿以太做参考系时麦克斯韦的电磁理论才成立．今天看来，以太是某一特殊参考系的代表．迈克尔孙-莫雷实验结果：证明了光速与光源和测量者的相对运动无关，亦即与参照系无关。否定了以太的存在。1905年以前已经发现一些电磁现象与经典物理概念相“抵触”，它们是：①迈克耳孙－莫雷实验没有观测到地球相对于以太的运动，同经典物理学理论的“绝对时空”和“以太”概念产生矛盾。②运动物体的电磁感应现象表现出相对性——是磁体运动还是导体运动其效果一样。③电子的电荷与惯性质量之比（荷质比）随电子运动速度的增加而减小。此外，电磁规律（麦克斯韦方程组）在伽利略变换下不是不变的，即是说电磁定律不满足牛顿力学中的伽利略相对性原理。三、狭义相对论的两个基本假设上述的矛盾使物理学家面临两个选择，一是修正现有的理论，去迎合实验结果（这相对比较容易，但常常无效）；另一种主张彻底摆脱“麦克斯韦电磁理论只适用于某一特殊的惯性系”，创立全新的理论。爱因斯坦、庞加莱等人选择了后者．并提出了两个假设：①狭义相对性原理———切物理定律，在不同的惯性系中是相同的；②光速不变原理——光在真空中的传播速度在不同的惯性系中测得的数值都是相同的，与光源、观察者是否相对运动无关。对两个基本原理的正确理解：①自然规律不仅包括力学规律，还包括电磁学规律等其他所有的物理学律；②强调真空中的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③几十年来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。相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难被普通人所理解。对爱因斯坦的介绍和对学生的启迪20世纪最伟大的物理学家，创造了科学史上史无前例的奇迹，推动了整个物理学理论的革命。1905年——爱因斯坦（26岁）的丰收年：﹡6月：发表了《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，提出光量子说。因此获1921年诺贝尔奖。﹡7月：发表了《分子大小的新测定》、《关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》，间接证明了分子的存在。﹡9月：发表论文《论动体的电动力学》和《物体的惯性是否决定其内能》，提出狭义相对论。（1915年提出广义相对论）﹡11月：发表了《物体的惯性是否决定其内能》，提出质能方程E=mc２的论文，质能方程是制造原子弹的理论基础之一。1905年，在现代科学史中，被称为“爱因斯坦奇迹年”。20世纪的物