第六章 相对论
一、牛顿力学中运动的相对性 二、相对论的两个基本假设
教学目标
1. 了解经典的相对性原理．
2. 知道狭义相对论的两个基本假设．
3. 了解对经典物理学内部矛盾的探索过程，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．
重点难点
重点：狭义相对论的两个基本假设
难点：牛顿力学中运动的相对性
设计思想
通过本节教学应使学生了解，牛顿力学和相对论建立之前的整个经典物理学都是建立在绝对时空概念的基础上，在人类活动的低速运行“正常”范围内是非常准确的。在该概念下，经典力学定律、伽利略变换和力学相对性原理三者是自洽的、和谐一致的。但是在这个范围以外，牛顿物理学的结论就与观测结果不一致，它揭示了经典物理内在的某些基本矛盾。自然界不存在特殊的惯性系，不仅力学规律，而且其他规律，包括电磁规律，在不同惯性系中都具有相同形式，并通过光束不变原理，构建崭新的时空观，为后面的学习打下基础。
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教学设计
【课堂学习】
学习活动一：伽利略相对性原理
对力学规律而言，所有的惯性系都是等价的或在一个惯性系中，所作的任何理学实验都不能够确定这一惯性系本身是静止状态，还是匀速直线运动。
力学中不存在绝对静止的概念，不存在一个绝对静止优越的惯性系。
1．在任何惯性参考系中，力学的规律都是一样的，都可以用牛顿定律来描述。
2．地面参考系或相对于它做匀速直线运动的的参考系都可当作惯性系。
学习活动二：经典时空观
设当O与O′重合时t=t′=0作为记时的起点，
同一事件：K系中（x，y，z，t）
K′系中（x′，y′，z′，t′）
新华
按经典观念： 或
所谓绝对时空：
1．时间：时间间隔的绝对性与同时的绝对性，即，。时间是与参照系无关的不变量。
4
2．空间：若有一把尺子，两端坐标分别为
K中：P1（x1，y1，z1，t1），P2（x2，y2，z2，t2）
K′中：P1′（x1′，y1′，z1′，t′）P2′（x2′，y2′，z2′，t′）
有
由得，即：长度（空间间隔）是与参照系无关的不变量或长度（空间间隔）的绝对性。
即
且认为
因此：在中，有，得中
由牛顿的绝对时空以及“绝对质量”的概念，得到牛顿相对性原理。
总结：牛顿定律在所有惯性系都具有相同的表述形式，即牛顿定律在伽利略变换下是协变的，牛顿力学符合力学相对性原理。
学习活动三：伽利略速度变换
问题1：小丽相对于车厢以速率v向前跑时，她对地面的速率是多少？
问题2：小丽相对于车厢以速率v向后跑时，她对地面的速率是多少？
小结：速率从一个参考系变换到另一个参考系的关系式称为伽利略速度变换公式。
学习活动四：爱因斯坦相对性原理
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。
（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。
对不同的惯性系，物理规律（包括力学的和电磁的）都是一样的，这是爱因斯坦狭义相对论的第一个基本假设。
学习活动五：光速不变原理
光在真空中运动的速度在任何惯性系中测得的数值都是相同的，
4
这是爱因斯坦狭义相对论的第二个假设。
对两个基本原理的正确理解：
①自然规律不仅包括力学规律，还包括电磁学规律等其他所有的物理学规律；
②强调真空中的光速光速不变指大小既不依赖于光源或观察者的运动，也不依赖于光的传播方向。
③几十年来科学家采用各种先进的物理技术测量光速，结果都不违背光速不变原理。
【课堂小结】
【板书设计】
第一、二节 牛顿力学中运动的相对性 相对论的两个基本假设
一、伽利略相对性原理
1、在任何惯性参考系中，力学的规律都是一样的，都可以用牛顿定律来描述。
2、地面参考系或相对于它做匀速直线运动的的参考系都可当作惯性系。
二、经典时空观
牛顿定律在所有惯性系都具有相同的表述形式，即牛顿定律在伽利略变换下是协变的，牛顿力学符合力学相对性原理。
三、伽利略速度变换
四、爱因斯坦相对性原理
对不同的惯性系，物理规律（包括力学的和电磁的）都是一样的。
五、光速不变原理
光在真空中运动的速度在任何惯性系中测得的数值都是相同的。
课后测评
1、下列说法正确的是（ ）
A．力学规律在任何参考系中都是相同的
B．在所有惯性系中物理规律都是相同的
C．在高速运动情况下，惯性系中的物理规律也不一定相同
D．牛顿运动定律在非惯性系中不变
2、下列说法正确的是（ ）
A．物理的基本规律在所有惯性系中都是等价的
B．在真空中，光的速度与光的频率、光源的运动都无关
C．在任何惯性系中，光在真空中沿任意方向的传播速度都相同
D．以上说法均不正确
3、1905年爱因斯坦提出了狭义相对论，狭义相对论的出发点是以两条基本假设为前提的，这两条基本假设是（ ）
A．同时的绝对性与同时的相对性
B．运动的时钟变慢与运动的尺子缩短
C．时间间隔的绝对性与空间距离的绝对性
D．相对性原理与光速不变原理
4、有甲、乙两人，甲以5m/s的速度、乙以3m/s的速度都向东直线行走，则甲相对于乙的速度大小为（ ）
A．3m/s B．5m/s C．2m/s D．8m/s
5、1905年爱因斯坦提出了狭义相对论，狭义相对论的出发点是以两条基本假设为前提的，这两条基本假设是（ ）
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A．同时的绝对性与同时的相对性
B．运动的时钟变慢与运动的尺子缩短
C．时间间隔的绝对性与空间距离的绝对性
D．相对性原理与光速不变原理
A
B
光
6、如图所示，按照狭义相对论的观点，火箭B是“追赶”光的；火箭A是“迎着”光飞行的，若火箭相对地面的速度为，则两火箭上的观察者测出的光速分别为（ ）
A．，
B．，
C．，
D．无法确定
7、设某人在以速度为0.5c的飞船上，打开一个光源，则下列说法正确的是（ ）
A．飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.5c
B．飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5c
C．在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是c
D．在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c
8、经典力学中认为时间和空间是__________的，而相对论认为时间和空间是__________的。
9、_____________原理是指在不同的惯性参考系中，一切物理定律都是等价的；_____________原理是指真空中的光速在不同的_____________参考系中都是相同的。
参考答案：
1、B 2、A 3、D 4、C 5、D 6、B 7、CD
8、绝对的，相对的 9、相对论，光速不变，惯性
4
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