高中物理 第十五章 相對(duì)論簡(jiǎn)介教案 新人教版選修3-4

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1、相對(duì)論簡(jiǎn)介教學(xué)目的：1．了解相對(duì)論的誕生及發(fā)展歷程2．了解時(shí)間和空間的相對(duì)性3．了解狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論的內(nèi)容教學(xué)重點(diǎn)：時(shí)間和空間的相對(duì)性、狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論教學(xué)難點(diǎn)：時(shí)間和空間的相對(duì)性教學(xué)過(guò)程：一、狹義相對(duì)論的基本假設(shè)牛頓力學(xué)是在研究宏觀物體的低速（與光速相比）運(yùn)動(dòng)時(shí)總結(jié)出來(lái)的.對(duì)于微觀粒子，牛頓力學(xué)并不適用，在這一章中我們還將看到，對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)，即使是宏觀物體，牛頓力學(xué)也不適用.19世紀(jì)后半葉，關(guān)于電磁場(chǎng)的研究不斷深入，人們認(rèn)識(shí)到了光的電磁本質(zhì).我們已經(jīng)知道，電磁波是以巨大的速度傳播的，因此在電磁場(chǎng)的研究中不斷遇到一些矛盾，這些矛盾導(dǎo)致了相對(duì)論的出現(xiàn).相對(duì)論不僅給出了物

2、體在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵循的規(guī)律，而且改變了我們對(duì)于時(shí)間和空間的認(rèn)識(shí)，它的建立在物理學(xué)和哲學(xué)的發(fā)展史上樹(shù)立了一座重要的里程碑.經(jīng)典的相對(duì)性原理如果牛頓運(yùn)動(dòng)定律在某個(gè)參考系中成立，這個(gè)參考系叫做慣性系，相對(duì)一個(gè)慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng)的另一個(gè)參考系也是慣性系.我們引用伽利略的一段話，生動(dòng)地描述了一艘平穩(wěn)行駛的大船里發(fā)生的事情.“船停著不動(dòng)時(shí)，你留神觀察，小蟲(chóng)都以等速向各方向飛行，魚(yú)向各個(gè)方向隨意游動(dòng)，水滴滴進(jìn)下面的罐中；你把任何東西扔給你的朋友時(shí)，只要距離相等，向這一方向不比向另一方向用更多的力.你雙腳齊跳，無(wú)論向哪個(gè)方向跳過(guò)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

3、運(yùn)動(dòng)是勻速的，也不忽左忽右地?cái)[動(dòng)，你將發(fā)現(xiàn)，所有上述現(xiàn)象絲毫沒(méi)有變化.你也無(wú)法從其中任何一個(gè)現(xiàn)象來(lái)確定，船是在運(yùn)動(dòng)還是停著不動(dòng)”通過(guò)這段描述以及日常經(jīng)驗(yàn)，人們很容易相信這樣一個(gè)論述：力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的.這個(gè)論述叫做伽利略相對(duì)性原理.相對(duì)性原理可以有不同的表述.例如還可以表述為：在一個(gè)慣性參考系內(nèi)進(jìn)行任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都不能判斷它是否在相對(duì)于另一個(gè)慣性參考系做勻速直線運(yùn)動(dòng)；或者說(shuō)，任何慣性系都是平權(quán)的.在不同的參考系中觀察，物體的運(yùn)動(dòng)情況可能不同，例如在一個(gè)參考系中物體是靜止的，在另一個(gè)參考系中看，它可能是運(yùn)動(dòng)的，在不同的參考系中它們運(yùn)動(dòng)的速度和方向也可能不同.但是，它們?cè)?/p>

4、不同的慣性系中遵從的力學(xué)規(guī)律是一樣的，例如遵從同樣的牛頓運(yùn)動(dòng)定律、同樣的運(yùn)動(dòng)合成法則……光速引起的困難自從麥克斯韋預(yù)言了光的電磁本質(zhì)以及電磁波的速度以后，物理學(xué)家們就在思考，這個(gè)速度是對(duì)哪一個(gè)參考系說(shuō)的？如果存在一個(gè)特殊的參考系O，光對(duì)這個(gè)參考系的速度是c，另一個(gè)參考系O′以速度v沿光傳播的方向相對(duì)參考系O運(yùn)動(dòng)，那么在O′中觀測(cè)到的光速就應(yīng)該是c-v，如果參考系O′逆著光的傳播方向運(yùn)動(dòng)，在參考系O′中觀測(cè)到的光速就應(yīng)該是c+v.由于一般物體的運(yùn)動(dòng)速度比光速小得多，c+v和c-v與光速c的差別很小，在19世紀(jì)的技術(shù)條件下很難直接測(cè)量，于是物理學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了許多巧妙的實(shí)驗(yàn)，力圖測(cè)出不同

5、參考系中光速的差別.最著名的一個(gè)實(shí)驗(yàn)是美籍物理學(xué)家麥克爾遜設(shè)計(jì)的.他把一束光分成互相垂直的兩束，一束的傳播方向和地球運(yùn)動(dòng)的方向一致，另一束和地球運(yùn)動(dòng)的方向垂直，然后使它們發(fā)生干涉，如果不同方向上的光速有微小的差別，當(dāng)兩束光互相置換時(shí)干涉條紋就會(huì)發(fā)生變化.由于地球在宇宙中運(yùn)動(dòng)的速度很大，希望它對(duì)光速能有較大的影響.但是，這個(gè)實(shí)驗(yàn)和其他實(shí)驗(yàn)都表明，不論光源和觀察者做怎樣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，光速都是相同的.這些否定的結(jié)果使當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家感到震驚，因?yàn)樗蛡鹘y(tǒng)的觀念，例如速度合成的法則，是矛盾的.狹義相對(duì)論的兩個(gè)假設(shè)上面的矛盾使我們面臨一個(gè)困難的選擇：要么放棄麥克斯韋的電磁理論，要么否定特殊參考

6、系的存在.愛(ài)因斯坦選擇了后者.他認(rèn)為，既然在不同的慣性系中力學(xué)規(guī)律都一樣，我們會(huì)很自然地想到，電磁規(guī)律在不同的慣性系中也是一樣的，也就是說(shuō)，并不存在某一個(gè)特殊參考系（例如地球參考系、太陽(yáng)參考系，或者所謂的以太……）愛(ài)因斯坦把伽利略的相對(duì)性原理推廣到電磁規(guī)律和一切其他物理規(guī)律，成為他的第一個(gè)假設(shè)：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的.這個(gè)假設(shè)通常稱為愛(ài)因斯坦相對(duì)性原理.另一條假設(shè)是：真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，與光源的運(yùn)動(dòng)和觀察者的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有關(guān)系.這個(gè)假設(shè)通常叫做光速不變?cè)?　這兩個(gè)假設(shè)似乎是麥克爾遜實(shí)驗(yàn)的直接結(jié)論，為什么還要叫做假設(shè)？這是因?yàn)?，雖然實(shí)驗(yàn)表明

7、了假設(shè)所說(shuō)的內(nèi)容，但這終歸是有限的幾次實(shí)驗(yàn).只有在從這兩個(gè)假設(shè)出發(fā)，經(jīng)過(guò)邏輯推理（包括數(shù)學(xué)推導(dǎo)）所得出的大量結(jié)論都與事實(shí)相符時(shí)，它們才能成為真正意義上的原理.同時(shí)的相對(duì)性作為相對(duì)論的兩個(gè)假設(shè)的直接推論，現(xiàn)在討論“同時(shí)”的相對(duì)性，以體會(huì)相對(duì)論描述的世界和我們?nèi)粘５慕?jīng)驗(yàn)有多大的差別.我們研究?jī)蓚€(gè)“事件”的同時(shí)性.在這里，“事件”可以指一個(gè)光子與觀測(cè)儀器的碰撞，也可以指閃電對(duì)地面的打擊，還可以指一個(gè)嬰兒的誕生……假設(shè)一列很長(zhǎng)的火車在沿平直軌道飛快地勻速行駛.車廂中央有一個(gè)光源發(fā)出了一個(gè)