1、（一）导入新课（一）导入新课 19001900年的年的4 4月月2727日，在英国伦敦日，在英国伦敦皇家研究所举行的科学报告会皇家研究所举行的科学报告会上，一位德高望重的老科学家上，一位德高望重的老科学家开尔文作了一个演讲，题目是开尔文作了一个演讲，题目是在热和光动力理论上空的在热和光动力理论上空的19 19世纪乌云世纪乌云。他的第一段话是。他的第一段话是这么说的：这么说的：“动力学理论断言，热和光都是动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色云遮蔽，显得黯然失色了了”(The beau
2、ty and clearness of the dynamical theory,which asserts heat and light to be modes of motion,is at present obscured by two clouds.)这个“乌云”的比喻后来被反复地引用。联系到当时人们对经典物理学成就的乐观情绪，许多时候这个表述又变成了“物理学晴朗天空的远处，漂浮着两朵小小的令人不安的乌云。”这两朵这两朵“乌云乌云”是：是：1 1、【板书板书】迈克尔逊迈克尔逊莫雷实验莫雷实验（18811881年年18871887年间）：研究光沿不年间）：研究光沿不同方向传播速度的差异。
3、同方向传播速度的差异。2 2、【板书板书】热辐射实验：（热辐射实验：（19001900年年左右）：研究热辐射的能量与温度左右）：研究热辐射的能量与温度的关系。的关系。这两个实验所观测到的现象用当时这两个实验所观测到的现象用当时已有的物理学理论无法进行合理的已有的物理学理论无法进行合理的解释。正是这两朵的乌云，不久以解释。正是这两朵的乌云，不久以后酿成了物理学中一场巨大的变革。后酿成了物理学中一场巨大的变革。我们先来看看物理学的天空中这令我们先来看看物理学的天空中这令人不安的第一朵人不安的第一朵“乌云乌云”：光沿不：光沿不同方向传播的速度是否相同？同方向传播的速度是否相同？（二）新课教学（二）新
4、课教学 1、高速世界的两个基本原理、高速世界的两个基本原理 经典力学的研究表明所有的机械波都经典力学的研究表明所有的机械波都必须通过介质才能传播。麦克斯韦的必须通过介质才能传播。麦克斯韦的电磁场理论揭示了光就是电磁波。光电磁场理论揭示了光就是电磁波。光既然是波，当时人们自然要想：传播既然是波，当时人们自然要想：传播光波的介质是什么呢？光波的介质是什么呢？当时的物理学家假定这种介质叫做当时的物理学家假定这种介质叫做“以太以太”，整个宇宙空间都充满了，整个宇宙空间都充满了“以太以太”，认为，认为“以太以太”是非常稀薄，是非常稀薄，密度极小的、完全透明的、难以感觉密度极小的、完全透明的、难以感觉到的
5、介质。按照经典的波动理论，这到的介质。按照经典的波动理论，这种介质的弹力又是极其大的，光波才种介质的弹力又是极其大的，光波才会在里面有如此巨大的传播速度。是会在里面有如此巨大的传播速度。是一种使人感到奇怪的介质。一种使人感到奇怪的介质。思考：如果我们在静止的空气中快思考：如果我们在静止的空气中快速前进，就会感觉到有风迎面吹来，速前进，就会感觉到有风迎面吹来，为什么？为什么？因为虽然空气相对于地面是静止的，因为虽然空气相对于地面是静止的，但空气相对于我们正在前进的人却但空气相对于我们正在前进的人却是运动的。是运动的。地球是用地球是用30km/s的速度在宇宙中的速度在宇宙中绕太阳运动的，如果绕太阳
6、运动的，如果“以太以太”这种这种介质充满了宇宙，也必然会有介质充满了宇宙，也必然会有30km/s的的“以太风以太风”迎着地球吹迎着地球吹来，我们能观测到这种来，我们能观测到这种“以太以太”风风吗？吗？问题：宇宙中充满了传播光的问题：宇宙中充满了传播光的介质介质“以太以太”，地球又在宇宙，地球又在宇宙中运动，设光在中运动，设光在“以太以太”中的中的传播速度为传播速度为c，地球相对于，地球相对于“以以太太”运动的速度为运动的速度为v，那么当光，那么当光的传播方向与地球的运动方向的传播方向与地球的运动方向相同时，以地球为参照物时，相同时，以地球为参照物时，会测得光的速度是多大呢？会测得光的速度是多大
7、呢？u1=（c-v）当光的传播方向迎着地球的运动方向而来时，以地球为惯性参照物又会测得光速为多大呢？生：应该是u2=（c+v）如果以地球做惯性参照物，不同方向的如果以地球做惯性参照物，不同方向的光（电磁波）的速度的确有不同的话，光（电磁波）的速度的确有不同的话，就说明麦克斯韦理论描述的电磁波各个就说明麦克斯韦理论描述的电磁波各个方向速度相同的规律，只有在用方向速度相同的规律，只有在用“以太以太”为惯性参照物时才是适用的，在用地球为惯性参照物时才是适用的，在用地球这类相对于这类相对于“以太以太”运动的物体做参照运动的物体做参照物时电磁波各个方向速度相同的规律就物时电磁波各个方向速度相同的规律就不
8、适用了，就会导致不适用了，就会导致“不同的惯性参照不同的惯性参照系中物理规律是不同的系中物理规律是不同的”这样一个结论。这样一个结论。美国物理学工作者迈克尔逊和莫雷在1881至1887年间在不断提高实验精确度的过程中，反复做了同一个实验：把仪器固定在地面上与地球一起运动，在光顺着地球运动方向传播、逆着地球运动方向传播、以及光传播方向与地球运动方向垂直时，不同情况下测量光速的差异。令人惊异的实验结果是：以地球为惯性参照物时测得各个方向的光速没有差异。这个著名的实验后来物理学界把它叫做迈克尔逊莫雷实验。【板书板书】迈克尔逊迈克尔逊莫雷实验结果：以地莫雷实验结果：以地球为惯性参照物时测得各个方向的光
9、速没球为惯性参照物时测得各个方向的光速没有超出实验误差范围的明显差异。有超出实验误差范围的明显差异。这样的实验结果，与经典的物理学理论产这样的实验结果，与经典的物理学理论产生了难以调和的矛盾，令人感到不安。怎生了难以调和的矛盾，令人感到不安。怎么办？么办？许多物理学工作者对迈克尔逊许多物理学工作者对迈克尔逊莫雷实验莫雷实验的结果提出了一些使人感到牵强的解释，的结果提出了一些使人感到牵强的解释，无法从根本上解决问题。比如无法从根本上解决问题。比如“以太以太牵引说牵引说”、“洛仑兹收缩说洛仑兹收缩说”等。等。爱因斯坦的办法：于1905年写了一篇论文提出了他的想法：1、相对性原理：物理规律在一切惯性
10、参照系中都具有相同的形式。2、光速不变原理：在一切惯性系中，测量到的真空中的光速c都一样。2、时间延缓效应 问题：静止的观测者、顺着光速方向运问题：静止的观测者、顺着光速方向运动的观测者、逆着光速方向运动的观测动的观测者、逆着光速方向运动的观测者，光相对于他们通过的位移是不同的，者，光相对于他们通过的位移是不同的，测量到的光速却都是一样的，这是为什测量到的光速却都是一样的，这是为什么呢？么呢？生猜想：可否认为不同的惯性参照系中生猜想：可否认为不同的惯性参照系中测得的时间也是不相同的呢？观测者测测得的时间也是不相同的呢？观测者测得光通过的距离较长时，如果他测得的得光通过的距离较长时，如果他测得的
11、时间也较长，则光速有可能是一样的。时间也较长，则光速有可能是一样的。师：爱因斯坦也正是这么想的。师：爱因斯坦也正是这么想的。讨论：假定一辆列车以速度v相对于地面匀速运动，静止在车厢里的人手持一个光源，从车厢的地板竖直向上将一束光射向顶部的一面反射镜，然后又反射回车厢的地板。设车厢中的顶部和地板之间的高度为d，则在车厢中以车厢为惯性参照物的观察者看来，“光在空中来回”的过程中，所测得的时间为t则光速是多大呢？（参看教学资料上的插图）这个关系式很重要，我们虽然是从这个关系式很重要，我们虽然是从“光在空中来回光在空中来回”这一特殊事件中推这一特殊事件中推导出来的，但在爱因斯坦在相对论中导出来的，但在
12、爱因斯坦在相对论中作了更复杂、更充分的推导认为它是作了更复杂、更充分的推导认为它是一个对各种事件都普遍适用的公式。一个对各种事件都普遍适用的公式。221cvtt例题：有一个实验事实：在宇宙射线中会产生一种微观粒子叫做子，在实验室中测算出它们静止时的平均寿命（存在时间）是=2.210-6秒，按照经典的时空观（时间是孤立的，与惯性参照物无关），子以接近光的速度运动（v=0.998c）时，在这段时间内子能飞过的平均路程只有：s=c=31082.210-6=660 m，然后子就会消失，可是对宇宙射线的大量观测却发现，大部分高速子能够从约10km的高空大气层到达海平面，这是为什么呢？可以用相对论来解释吗
13、？分析：假设有一辆列车和分析：假设有一辆列车和子一起速子一起速度度v=0.998c运动，运动，子相对于列车是子相对于列车是静止的。因此，以列车为惯性参照物，静止的。因此，以列车为惯性参照物，测得测得子的寿命就是子的寿命就是子静止时的寿子静止时的寿命命=2.210-6秒，而以地面做参照秒，而以地面做参照物时，物时，子是运动的，地面上的钟测子是运动的，地面上的钟测得其寿命将是：得其寿命将是：在这段时间内在这段时间内子能飞过的平均路程子能飞过的平均路程有：有：s=c=31083.4810-5=10.44 km.)(1048.3)998.0(1102.21522622scccv相对于光速c而言，通常的
14、运动物体（如飞机、火箭），其速度v都远远小于光速c，时间延缓效应是可以忽略不计的。所以我们认为当物体的速度远远小于光速时，经典物理学的时空观还是有效的，没有必要彻底抛弃。只有在物体高速运动时，经典物理学的时空观才不再适用了。【板书】经典物理学时空观的局限性：只在低速（与光速相比较）条件下有效。3 3、长度收缩效应、长度收缩效应 爱因斯坦在相对论中通过推导得出了：爱因斯坦在相对论中通过推导得出了：运动惯性参照系上尺度缩短效应运动惯性参照系上尺度缩短效应 注意：其实并不是车上尺子本身的长度注意：其实并不是车上尺子本身的长度真的发生了收缩，这是由于相对论的时真的发生了收缩，这是由于相对论的时空关系导
15、致的结果。空关系导致的结果。lcvll221例题：对于前面在时钟延缓效应中讨论过的例题，也可以从相对论的尺缩效应来看这个问题：被子穿越的大气层厚度约是10.44km，但如果以子为惯性参照物，则子是静止的，大气层在以v=0.998c的速度向子运动，所以以静止的子测得运动的大气层厚度只有：所以，子可以穿过大气层到达海平面。)(660)998.0(11044012222mcccvll（三）小结：经典物理的时经典物理的时空观空观相对论时空观相对论时空观真空中真空中光速光速在不同的惯性在不同的惯性参照系中测得参照系中测得光速不同光速不同在任何惯性参照系在任何惯性参照系中测得的光速都相中测得的光速都相同同介质介质宇宙中传播光宇宙中传播光的介质叫的介质叫“以以太太”宇宙中不存在宇宙中不存在“以以太太”介质介质时间时间时间是独立的，时间是独立的，与参照系无关与参照系无关同一事件在不同的同一事件在不同的参照系中测得时间参照系中测得时间不同不同
