高考物理最新教案-高中物理教师备课资料：狭义相对论的基本原理

【课标内容对照

(沪科J)《课程标准》的要求

*(沪科J)初步了解经典时空观和相对论时空观，知道相对论对人类认识世界的影响。

*(沪科J)初步了解微观世界中的量子化现象，知道宏观物体和微观粒子的能量变化的特点，体会量子论的建立深化了人类对物质世界的认识。

*(沪科J)通过实例，了解经典力学的发展历程和伟大成就，体会经典力学创立的价值与意义，认识经典力学的实用范围和局限性。

*(沪科J)体会科学研究方法对人们认识自然的重要作用。举例说明物理学的进展对自然科学的促进作用。

【三维目标】

1．（鲁科J）初步了解爱因斯坦相对论建立的背景，知道时间延缓、长度缩短、质速关系、质能关系和时空弯曲。

能运用相对论知识解释简单的现象。 2．（鲁科J）了解经典物理学的局限，知道经典时空观与相对论时空观之间的关系。 3．（鲁科J）初步认识“猜想”、“假设”和“物理模型的构建”在科学研究中的重要作用，培养大胆质疑的勇气和批判意识。 【教学建议】

1．（鲁科J）本节通过爱因斯坦大胆否定“以太”存在，提出两个假设：相对性原理和光速不变原理。通过本节的学习认识时间延缓、长度缩短、质速关系、质能关系、时空弯曲等高速世界展现给人们的奇异现象。知道时间、空间并不是绝对的，牛顿的经典时空观存在着局限性的应用条件——它只适用于低速运动的物体。这部分知识只需要了解，应用启发式教学的方式，结合生动的画面和形象的实例帮助学生建立辩证唯物主义的时空观，同时让学生体会到：科学的发展永无止境；在科学研究中要敢于质疑，不迷信权威，选择科学的研究方法巧妙地解决问题。 2．（鲁科J）相对论知识比较抽象，因此，在教学中一定要注意深入浅出，不要过分追求知识的严谨性和逻辑性；

运用物理学史进行教学，可以提高学生的学习兴趣，但对物理学史的介绍不能冲淡主题；同时注意应用本节提供的图、数据表以及“信息窗”栏目。 【相关知识准备】

(沪科K)如果你产问我什么是时间．我对它还能意会：你一问起我．我就不知道怎样言传了。

——奥古斯丁

(沪科K)一个概念愈是普遍，它愈是频繁地出现在我们的思维之中， 它同感觉经验的关系愈直接．我们了解它的章丈也就愈困难。

——爱因斯坦

(沪科K)我不对时间、空间、地点和运动一定义，因为它们是人人熟知的。

——牛顿

(沪科K)夫天地者，万物逆旅；光阴者，百代之过客。

——李白《春夜宴桃李园序》

(沪科K)想像一个四维空间是不可能的。我个人觉得形象地想像三维空间已经够难了。

——史蒂芬·霍金

【知识点讲解】

（鲁科K）高速世界的两个基本原理

（鲁科K）光速是目前我们所认知的物质的最大运动速度。如果人能够跑得像一束光那么快，他将会观测到什么现象与规律?我们所熟悉的是自己身边这个相对于光速而言的低速宏观世界的种种事物和现象，所知晓或掌握的许多物理概念及定律，都是在低速宏观的条件下得出来的。当物体以接近光速运动时，这些现象和规律是否会发生变化呢?

不懈的探索加上非凡的抽象思维能力，使爱因斯坦最终能够拨开物理学天空令人不安的第一朵乌云，提出了著名的相对论 (relativity)，成为迄今人们认知并描述高速世界的最好的理论工具。

经典物理学家曾认为，宇宙空间充满着一种叫以太的物质，它绝对静止、密度极小(几乎为零)、硬度极大、完全透明并充斥于空间、渗透于一切物体。万有引力和电磁相互作用等的传递、光在真空中的传播等，都要通过以太来实现。真是如此的话，地球在以太海洋中自转、公转，一定会有以太风迎面扑来。因此，探索以太风的存在，确定地球和以太的相对运动，就成为19世纪后半叶物理学中的一个重要课题。

按照经典时空观的运动合成原理，在以20m/s的速度行驶的汽车上，有人以25m/s的速度将一物体抛出，在路边的观察者看来，如果他向前抛，那么被抛物体的速度应为两速度之和即 45m/s；如果他向后抛，就应是两速度之差即5m/s(图6-3)。同样道理，若光相对于以太的速度为c，当地球以一定的速度 相对于以太运动时，静止在地球上的人观测到该光的速度为c′，那么此人测得向他迎面而来的光速为c′=c+ν；而与他同方向传播的该光的速度为c′=c-ν。如果能通过实验测量到这种差别，那就证明了以太的存在。

1887年，物理学家迈克尔逊和莫雷用自己发明的仪器进行了精密的光的干涉实验，却始终得不到与上述推论相吻合的观测结果，这使一些物理学家感到震惊和迷惘。由于坚持经典时空观及衍生出的荒诞的以太论，许多人在此基础上进行的一系列修修补补的工作，提出的一些牵强的解说等，都不能从根本上解决问题。

爱因斯坦通过对电磁理论的深入研究，意识到难以理解迈克尔逊一莫雷实验的困境是由于时空观的错误造成的。于是，爱因斯坦彻底抛弃了“以太”的概念，于1905年提出了两个基本假设：

(1)相对性原理(principle of relativity)：物理规律在一切惯性参照系中都具有相同的形式。 (2)光速不变原理(principle of constancy of lightspeed)：在一切惯性参照系中，测量到的真空中的光速c都一样。

相对性原理表明，在某个惯性系中，描述某个物理系统的某个物理过程的物理定律，在其他一切惯性系中对该系统该过程做出描述的物理定律皆保持形式不变。例如，在匀速飞行的飞机上观测，上抛小球的运动遵循动能定理，那么在地面上(或在其他惯性系中)观测，上抛小球的运动仍遵循同样形式的动能定理(图6-4)。

光速不变原理表明，在一切惯性系中观测在真空中传播的同一束光，不论沿

任何方向其速度大小都为c，与光源或观察者的运动无关。这一结论实际上已被大量的实验(包括迈克尔逊实验)所证实。如图6-5所示，假设在真空环境中，静止在匀速运行列车中的观测者与静立于地面的观测者，测得手电发出的光波的速度大小都是c。

基于这两条基本原理，爱因斯坦建立了狭义相对论(special theory of relativity)，把物理学推进到高速领域。

（鲁科J）本节通过爱因斯坦大胆否定“以太”存在，提出两个假设：相对性原理和光速不变原理。通过本节的学习认识时间延缓、长度缩短、质速关系、质能关系、时空弯曲等高速世界展现给人们的奇异现象。知道时间、空间并不是绝对的，牛顿的经典时空观存在着局限性的应用条件——它只适用于低速运动的物体。这部分知识只需要了解，应用启发式教学的方式，结合生动的画面和形象的实例帮助学生建立辩证唯物主义的时空观，同时让学生体会到：科学的发展永无止境；在科学研究中要敢于质疑，不迷信权威，选择科学的研究方法巧妙地解决问题。

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