广东省揭阳一中高中物理151相对论的诞生教案新人教版选修34

广东省揭阳一中高中物理15-1 相对论的诞生教案新人教版选修

3-4

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学

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教学活动

介绍相对论诞生的历史背景

①以太的研究（鲁科版较详细）

以太透明；以太的密度很小（光速很大）；以太很硬（电磁波为横波）；以太无所不在，充满整个空间。

②光速的测量

斐索光速测定

③迈克尔逊-莫雷实验学生活动

实验原理图实验干涉条纹

实验意义：

以太不存在；暗示真空中光速在任何参考系都不变；复习光的干涉现象

一、经典的相对性原理

①运动的相对性

中国古代研究：《尚书纬．考灵曜》（约东汉时代）

“地有四游，冬至地上行北而西三万里，夏至地下行南而东三万里，春秋两分是其中矣。地恒动而人不知，譬如闭舟而行不觉舟之运也。”

②伽里略相对性原理

《关于两种世界体系的对话》：“把你和朋友关在一条大船下的主舱里，让你们带着几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫，舱内放一只大水碗，其中有几条鱼，然后挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐里，船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向舱内各方向飞行；鱼向各个方向随便游动；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，向这一方向不必比另

一方向施更多的力。当船以任何速度前进，只要是匀速的，你将发现，上述观察

的现象依旧，你无法用任何现象判定船是运动还是不动……”

伽里略坐标变换公式 t t z

z y

y ut x x ===-=''''

伽里略速度变换公式 u v v -=∴'

③牛顿力学的不变性m ′=m

F ′＝F

F ＝ma F ′＝m ′a ′

a a =∴'

力学规律在任何惯性参考系中都是相同的。

还可以表述为：

在任何惯性参考系中无法用任何力学实验判断该参考系相当于另一个参考系是

静止的还是做匀速直线运动，即任何惯性参考系都是平权的。

二、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，根据相对性原理，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”——“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，正确的电磁方程组应满足伽利略不变性。