高一物理沪教版必修二6.2狭义相对论的基本原理 教案

6.2狭义相对论的基本原理

教学目标

1．知识与技能

(1)了解伽利略相对性原理，了解狭义相对论的理论基础，知道时空观与参考系的联系。

(2)了解经典时空观及其基本推论，知道牛顿引入绝对时空观的原因。

2．过程与方法

(1)通过关于参考系和运动的讨论与交流，认识惯性系的概念与伽利略相对性原理。

(2)解读并分析教材图5-2-1和图5-2-2，了解绝对时空观与实验事实的矛盾。

3．情感、态度与价值观

(1)通过讨论与交流活动，培养学生的独立思考能力、逻辑分析能力、口头表达的能力和合作学习的精神。

(2)通过了解时空观的变革，从中认识物理学的发展和变革，体会相对论对人类认识世界的影响，感受物理学的发展对推动社会的作用。

教学过程

新知探究

阿尔伯特?爱因斯坦(Albert Einstein)，美籍德国犹太裔，世界十大

杰出物理学家之一，现代物理学的开创者、集大成者和奠基人。

同时也是一位著名的思想家和哲学家。

相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由阿尔伯特?爱因斯

坦创立，依据研究的对象不同分为狭义相对论和广义相对论。相

对论和量子力学的提出给物理学带来了革命性的变化，共同奠定了近代物理学的基础。

相对论（Relativity）的基本假设是相对性原理，即物理定律与参照系的选择无关。狭义相对

论（Special Relativity）和广义相对论（General Relativity）的区别是，前者讨论的是匀速直线运动的参照系（惯性参照系）之间的物理定律，后者则推广到具有加速度的参照系中（非惯性系），并在等效原理的假设下，广泛应用于引力场中。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观领域。相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“时间和空间的相对性”、“四维时空”、“弯曲空间”等全新的概念。狭义相对论提出于1905年，广义相对论提出于1915年（爱因斯坦在1915年末完成广义相对论的创建工作，在1916年初正式发表相关论文）。

一、经典力学的时空观

(1)概述：绝对的真实的数学时间,就其本质而言，是永远均匀地流逝，与任何外界无关．绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的，它从不运动，并且永远不变.这就是经典力学的时空观，也称为绝对时空观．

(2)几个具体结论

①同时的绝对性．

②时间间隔的绝对性．

③空间距离的绝对性．

空间是绝对静止不动的(即绝对空间)，时间是绝对不变的(即绝对时间)．空间和时间跟任何外界物质的存在及其运动情况无关．空间是三维欧几里得空间，时间是一维的，空间和时间彼此独立．

二、狭义相对论的基本公设

1．追光问题的思考

(1)经典力学时空观中的速度叠加原理：

(2)爱因斯坦的困惑：如果我以光速追光波，将会看到什么？

2．伽利略相对性原理

(1)惯性系

在经典力学中，牛顿运动定律是力学规律的基础，如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系就叫做惯性系．相对于一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系．(2)伽利略相对性原理

内容：力学规律在任何惯性系中都是相同的，也就是说，各个惯性系都是等价的．这个观点叫做伽利略相对性

原理．

3．狭义相对论的两条基本公设

(1)两条基本公设的内容

①在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的．这个公设通常叫做爱因斯坦相对性原理．

②在一切惯性系中，光在真空中传播的速度都等于c，跟光源的运动无关．

(2)对两条基本公设的理解

①物体的位移、速度以及电场强度、磁感应强度等物理量有可能因为所选惯性参考系的不同而不同，但是它们所遵从的物理规律却是相同的．也就是说，在一切惯性参考系中物理规律的数学形式完全相同．

②此公设与绝对时空观是矛盾的．

爱因斯坦由此提出了新的时空观，即时间不能绝对定义，时间与速度有关．

爱因斯坦的两条基本公设只涉及无加速运动的惯性系，由此建立的相对论通常叫做狭义相对论．

[例1] 属于狭义相对论基本假设的是：在不同的惯性系中()

A．真空中光速不变

B．时间间隔具有相对性

C．物体的质量不变

D．物体的能量与质量成正比

解析：狭义相对论的基本假设有：(1)狭义相对论的相对性原理：一切彼此做匀速直线运动的惯性参考系，对于描写运动的一切规律来说都是等价的；(2)光速不变原理：对任一惯性参考系，真空中的光速都相等，所以只有A项正确．

答案：A

随堂练习

1．某人坐在匀速行驶或静止的汽车中，下列描述正确的是( C )

A．当他以初速度v0竖直向上抛出一小球，观察到小球仍落到抛出点上这就说明汽车在做匀速运动

B．当他观察到车顶上的雨滴做自由落体运动，则说明汽车做匀速运动

C．当他观察到公路旁的大树做匀速运动，则说明汽车做匀速运动

D．无论选取车内或车外的任何物体作参考系，都无法判断汽车是静止还是匀速运动

解析：由伽利略相对性原理，选汽车内任何物体为参考物，均无法判断汽车做匀速运动或静止，只有选汽车以外的参考物才可以区分汽车匀速运动或静止．

2．光在真空中的光速为c，一光束以很高的速度在真空中向西运动，某时刻发生一次闪光，经过1 s时间，该次闪光向东传播的距离是( C )

A．大于c B．小于c

C．等于c D．无法确定

解析：由光速不变原理可知选项C对．

3．牛顿运动定律适用于下列哪些情况( AC )

A．人造地球卫星绕地球运动B．研究氢原子的运动

C．大气的流动，地壳的变动D．研究原子中电子的运动

4．许多科学家在物理学发展过程中作出了卓越的贡献，下列描述中正确的是( AC )

A．卡文迪许用扭秤测定万有引力常量

B．奥斯特发现磁生电现象

C．开普勒发现行星运动的规律

D．伽利略通过斜坡实验提出了惯性定律

解析：奥斯特实验中发现了电生磁现象，伽利略实验总结出了力不是维持物体运动的原因，牛顿在此基础上，通过归纳总结提出了牛顿第一定律也叫惯性定律．

小结

作业