1、PAGE8相對論的誕生教學(xué)設(shè)計一、教學(xué)目標(biāo)知識與技能：（1）了解相對論誕生的歷史背景，知道麥克耳孫一莫雷實驗（2）了解經(jīng)典的相對性原理（3）知道相對性原理與電磁規(guī)律之間的矛盾（4）知道狹義相對論的兩個基本假設(shè)過程與方法：（1）了解對經(jīng)典物理學(xué)內(nèi)部矛盾的探索過程（2）理解愛因斯坦建立相對論的科學(xué)探究思想和邏輯推理方法情感態(tài)度價值觀：（1）明確物理理論的發(fā)展的基礎(chǔ)實驗二、學(xué)情分析學(xué)生對牛頓經(jīng)典力學(xué)和電磁學(xué)的理論知識已經(jīng)有了比較深入的認(rèn)識和理解，但是運用經(jīng)典相對性原理對光速問題研究得出結(jié)論，與邁克爾遜莫雷實驗實驗結(jié)果不符，這一結(jié)論還特別為后來的很多精確的實驗所證實。對此矛盾、物理學(xué)家有幾種選擇。一是

2、修改現(xiàn)有理論以迎合新的客觀事實；二是創(chuàng)新全新的理論。在此背景下，狹義相對論的兩個基本假設(shè)誕生，對兩個基本假設(shè)初步理解，從此把學(xué)生的思維與目光引到更為廣闊天地。三、教學(xué)重點、難點狹義相對論的兩點假設(shè)四、教學(xué)過程視頻引入新課教師介紹相對論誕生的歷史背景要了解相對論怎樣產(chǎn)生及產(chǎn)生歷程首先：（一）經(jīng)典的相對性原理教師：生活中的相對性隨處可見教師舉例：物體甲以3m/s向右運動，物體乙以2m/s向右運動，實際我們選什么做參考系的學(xué)生：地面。教師：分別選地面和甲做參考系說出乙的運動情況學(xué)生：以地面為參考系乙速度大小2m/s，方向向右，以甲為參考系乙速度大小1m/s，方向向左。教師：由以上實例我們歸納出兩點內(nèi)

3、容：（1）研究物體的運動必須選參考系。（2）同一運動選不同參考系速度不一定相同。教師:要研究物體運到必須涉及到參考系概念，必修1我們已經(jīng)掌握了慣性系概念。學(xué)生：牛頓運動定律成立的參考系，相對于一個慣性參考系做勻速直線運動的另一個參考系也是慣性系。教師：下面我們通過一段材料，在不同慣性系中研究物體運動情況。教師指導(dǎo)學(xué)生完成閱讀伽利略關(guān)于兩個世界的對話，并引導(dǎo)組織學(xué)生分組討論完成：問題1：兩種不同的慣性參考系中觀察到的各種現(xiàn)象有變化嗎所遵守的力學(xué)規(guī)律都相同嗎問題2：在一個慣性參考系內(nèi)進(jìn)行的任何力學(xué)實驗?zāi)懿荒芘袛噙@個慣性系相對于另一個慣性參考系做勻速直線運動教師提問：伽利略相對性原理有兩種表述各是什

4、么學(xué)生回答：1、力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的。2、在一個慣性參考系內(nèi)進(jìn)行的任何力學(xué)實驗都不能判斷這個慣性系是否相對于另一個慣性系做勻速直線運動；或者說，任何慣性系都是平權(quán)的。（二）相對性原理與電磁規(guī)律教師：相對性原理簡單自然，取得了巨大的成就，而且與生活經(jīng)驗一致。因此很長時間沒有人懷疑，甚至思考過相對性原理。然而相對性原理在電磁學(xué)領(lǐng)域，研究光速問題遇到了麻煩。教師問題：相對性原理和電磁理論的矛盾是什么教師指導(dǎo)學(xué)生完成教材閱讀，并組織學(xué)生分組討論。學(xué)生回答：麥克斯韋的電磁理論光速恒定，并不涉及參考系問題，相對性原理得出光速并不是對任何慣性系都一樣。教師提問：針對教材圖1,光相對參考系s和s的

5、速度分別多少學(xué)生回答：光相對參考系s的速度是v，光相對參考系s的速度是c-v。教師：光速相對不同慣性系并不一定相同。教師通過教材圖1flash課件演示，進(jìn)一步深化經(jīng)典相對性原理對光速問題解釋。教師提問：麥克斯韋的電磁理論對光速問題的解釋是什么學(xué)生回答：麥克斯韋的電磁理論光速恒定，并不涉及參考系問題。教師設(shè)問：麥克斯韋的電磁理論真空中電磁波速是光速C是指在那個參考系中來說呢有無這樣的特殊的參考系呢實驗過程及事實是怎樣的呢教師引出麥克爾遜莫雷實驗。教師介紹實驗器材：光源、分光鏡、反射鏡M1、反射鏡M2教師通過師生互動介紹實驗背景和實驗過程：19世紀(jì)流行著一種“以太”學(xué)說，物理學(xué)家們曾經(jīng)猜想，有一種

6、叫做以太的介質(zhì)，彌漫在宇宙中，并把“以太”看做絕對慣性系，地球以每秒30公里的速度繞太陽運動，相對以太速度也應(yīng)該是每秒30公里，同時，它也必須對光的傳播產(chǎn)生影響。假設(shè)以太相對太陽靜止，儀器在實驗坐標(biāo)系中相對于以太以公轉(zhuǎn)軌道速度v向右運動。由經(jīng)典相對性原理光源發(fā)光經(jīng)分光鏡分成兩束光，光束1自左向右的速度為cv，光束1經(jīng)反射鏡M1反射速度為c-v，再經(jīng)分光鏡投射到觀測屏。光束2自下向上與經(jīng)反光鏡M2反射自上向下的速度應(yīng)該都為c2教師提供視頻演示麥克爾遜莫雷實驗，并進(jìn)一步介紹兩束光在觀測屏形成干涉條紋。通過分析干涉條紋，得出兩個方向光速相同。實驗結(jié)果：證明了光速與光源和測量者的相對運動無關(guān)，亦即與參

7、照系無關(guān)。否定了以太的存在。學(xué)生討論：當(dāng)實驗事實和現(xiàn)有理論出現(xiàn)矛盾的時候物理學(xué)家有幾種選擇。一是修改現(xiàn)有理論以迎合新的客觀事實；二是創(chuàng)新全新的理論。（三）狹義相對論的兩個基本假設(shè)教師指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)狹義相對論的兩個基本假設(shè)。教師提問：狹義相對論的兩個基本假設(shè)是什么學(xué)生回答：1、狹義相對性原理:在不同的慣性參考系，一切物理規(guī)律都是相同的。2、光速不變原理真空中的光速在不同的慣性參考系中是相同的，光速與光源、觀察者間的相對運動沒有關(guān)系。教師介紹：就現(xiàn)在看來如此簡單且最一般的兩個假設(shè)的基礎(chǔ)上愛因斯坦建立了一套完整的理論狹義相對論教師結(jié)引導(dǎo)學(xué)生歸納并討論：對狹義相對論兩個基本原理的正確理解。自然規(guī)律不僅包

8、括力學(xué)規(guī)律，還包括電磁學(xué)規(guī)律等其他所有的物理學(xué)規(guī)律；強調(diào)真空中的光速不變指大小既不依賴于光源或觀察者的運動，也不依賴于光的傳播方向幾十年來科學(xué)家采用各種先進(jìn)的物理技術(shù)測量光速，結(jié)果都不違背光速不變原理。物理規(guī)律必須以事實為依據(jù)。教師問題：狹義相對論的兩個基本假設(shè)，都有實驗證實，為什么還要做假設(shè)學(xué)生回答：有限的幾個實驗，不能做出概括性的結(jié)論，只有再從這兩個假設(shè)出發(fā)，經(jīng)過邏輯推理（包括數(shù)學(xué)推導(dǎo)）所得出的大量結(jié)論都與事實相符，那時它們才能成為真正意義上的原理。就類似于數(shù)學(xué)中科學(xué)歸納法。教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀：相對論的時空觀念與人們固有的時空觀念差別很大，很難被普通人所理解。人們都稱贊愛因斯坦偉大，但又常常

9、弄不懂這偉大的內(nèi)容。這使人們想起英國詩人波譜歌頌牛頓的詩句:自然界和自然界的規(guī)律隱藏在黑暗中，上帝說：“讓牛頓去吧，”于是一切都成為光明。后人續(xù)寫道:上帝說完多少年之后，魔鬼說：“讓愛因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。教師向?qū)W生推薦相對論入門書目：從零學(xué)相對論梁燦斌時間簡史斯蒂芬。霍金狹義與廣義相對論淺說愛因斯坦五、課堂交流小結(jié)15-1相對論的誕生一、經(jīng)典的相對性原理（1）力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的。（2）在一個慣性參考系內(nèi)進(jìn)行的任何力學(xué)實驗都不能判斷這個慣性系是否相對于另一個慣性系做勻速直線運動；或者說，任何慣性系都是平權(quán)的。二、電磁理論與伽利略的相對性原理發(fā)生矛盾三、狹義相對論的兩點假設(shè)（1）狹義相對性原理一切物理規(guī)律在慣性系中都是相同的（2）光速不變光在真空中的向各個方向的速度都相同，即光的速度與光源、觀察者的運動情況無關(guān)。