第二个环节:引导学生研读课本,了解迈克尔逊-莫雷实验的结果与经典时空观的矛盾,爱因斯坦相对论的两条基本假设及构建新理论的思想方法。
指导学生阅读:(1)"以太假说",(2)迈克尔逊-莫雷实验。
建议:阅读过程中,要引导学生思考几个问题:(1)迈克尔逊-莫雷实验的目的:寻找"以太"(检验"以太"的存在),测量地球相对"以太"的速度;(2)光速很大,一般物体的速度都很小(包括地球),即使不同方向的光速是不同的,我们也很难测量出来,迈克尔逊-莫雷实验如何解决这个问题?巧妙之处是不去测量不同方向的光速值本身,而是利用光的干涉现象去测量不同方向的速度之差。
教师:迈克尔逊-莫雷实验结果:光束沿不同方向的速度相等为c,说明了什么?
学生:说明了要么地球相对"以太"的速度为零,要么"以太假说"是不对的,两者必居其一。
教师:我们来看一看,爱因斯坦是如何解决在个问题的。
(建议根据使用教材的内容,指导学生阅读教材,或教师补充介绍爱因斯坦的解决办法、狭义相对论的两个基本假设)
教师:请同学们归纳一下爱因斯坦解决问题的方法。
学生:爱因斯坦否定了"以太"的存在,抛弃了经典的时空观,根据实验事实,提出了狭义相对论的两条基本假设。
学生:(1)狭义相对性原理:物理规律(力学、电磁学、光学等)对于所有惯性系具有相同的形式。其意思是一切客观真实的物理规律在任何惯性系中的表述形式应该完全相同,与所参照的坐标系究竟是用两个在相互匀速移动着的坐标系中的哪一个无关。
(2)光速不变原理:在任何惯性系中,光在真空中的速度为c,与光源运动和观测者的运动无关。
教师:伽利略的相对性原理与相对论的相对性原理有何不同之处?
学生:伽利略的相对性原理指的是在惯性参考系中力学规律都相同,而相对论的相对性原理将其推广到力学、电磁学、光学等物理规律。
教师:我们再来分析上面抛球的事例,用光速不变原理来分析,会不会得投球与球飞离手中两个事件先后颠倒的现象?
学生:不会,因为光速不变,投球动作的光线先到达人的眼中。
教师:现在我们回到开始的问题,假设甲同学的家里距离学校2000M,丙同学的家里距离学校500M,设我们在学校能看到两位同学的家,那么我们用光速不变原理来判断一下:我们在学校观察,两位同学是否同时走出家门?
预测2:学生可能有以下回答:
(1)他们是同时出门的(没有考虑光的传播时间或认为光速太快);
(2)假如他们是同时出发的,那么,我们在学校看到是丙比甲提早出发(时间差等于0.000005秒)
(3)如果我们看到他们是同时出发的,那么甲同学应该比丙同学出发的时间更早一些。
说明2:教师应作引导,使学生明白,我们平常没有意识到这个问题是因为光速太快了,我们无法查觉,但却是客观存在的;对大尺度的天体,这种时间差是很明显的,如太阳表面发生的事件需经八分钟多的时间我们才能知道,对遥远的天体,我们看到的是时间上更早的情况,甚至达到一百多亿年前。
教师:从上面的例子出发,同学们思考一下,你对时间问题有何新的认识?