《牛顿眼中的世界》参考教案.doc

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§6-1牛顿眼中的世界

教学目标

一、知识与技能：

（1）了解相对论诞生的历史背景，知道麦克尔孙-莫雷实验

（2）了解经典的相对性原理

（3）知道相对性原理与电磁规律之间的矛盾

（4）知道狭义相对论的两个基本假设

二、过程与方法：

（1）了解对经典物理学内部矛盾的探索过程

（2）理解爱因斯坦建立相对论的科学探究思想和逻辑推理方法

三、情感态度价值观：

明确物理理论的发展的基础——实验

教学重点、难点

经典力学的相对性

教学方法

阅读小结

教学手段

多媒体课件

教学活动

介绍相对论诞生的历史背景:

一、经典力学的相对性原理

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

伽里略速度变换公式

③牛顿力学的不变性m′=m

F′＝F

F＝maF′＝m′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：

通过任何力学实验，都不可能发现惯性参考系是处于绝对静止状态还是在做匀速直线运动，即任何惯性参考系都是平权的。

二、绝对时空观

经典时空观首先由牛顿明确提出，牛顿在他的名著《自然哲学的数学原理》一书中，对绝对时间和绝对空间作了明确的表述（见本章“题记”），因此又叫做牛顿时空观，所谓绝对，是指时间和空间与观测者的运动状态无关，实际上，绝对时空观是人们在低速状态下的经验总结，例如我国唐代大诗人李白的著名诗句：“夫天地者，万物之逆旅；光阴者，百代之过客”，就是对绝对空间和绝对时间的形象比喻。

经典力学总结了低速物体的运动规律，它反映了牛顿的绝对时空观。绝对时空观认为时间和空间是两个相对时空观独立的观念，彼此之间没有联系，分别具有绝对性。绝对时空观认为时间与空间的度量与惯性参照系的运动状态无关，同一物体在不同惯性参照系中观察到的运动学量（如坐标、速度）

可通过伽利略变换而互相联系。这就是力学相对性原理：一切力学规律在伽利略变换下是不变的。

然而现代科学证实，宇宙中根本不存在绝对静止的空间和物质，也不存在绝对流逝的时间。在爱因斯坦的相对论中，时间与空间都具有相对的意义，而且时间和空间是相互联系和相互制约的。

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。

（2）牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对，但麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立。

（3）牛顿力学与伽利略变换不对，应存在某种变换，麦克斯韦电磁理论在这种新的变换下具有不变性。这意味着经典牛顿力学要作修改，修改后的力学方程在新的变换下具有不变性。

三、寻找“以太”麦克尔孙--莫雷实验

①以太的研究

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

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