建议:经典力学的相对性原理在事例除了司南版物理教材中的抛体运动外,还可介绍霍金《时间简史》中的在匀速运动的火车上打乒乓球的事例:"......在火车上打乒乓球,将会发现,正如在轨道边上的一张台桌上一样,乒乓球服从牛顿定律,所以无法得知是火车还是地球在运动......"。
板书:(1)力学规律在任何惯性系中都相同的,(2)经典力学的伽利略变换数学表达式......。
教师:经典时空观认为,光速是相对的,满足速度合成公式。现在请同学们来讨论一个问题:假设有这样一个情景,一节车厢长为2L,车厢正中央有一盏信号灯,旁边站着一个人甲,车厢以v的速度作直线运动;另外,轨道旁的站台上也站一个人乙,他相对地面静止。当车厢正中央通过乙的同时,信号灯发出脉冲闪光,脉冲闪光向前、向后分别射向车厢的前后壁;请同学们用经典时空观讨论一下,甲、乙两人对闪光传到车厢的前后壁这两件事的看法是否相同。
(为使学生易解,教师可在黑板上画一幅简笔画)
(学生分组讨论时,教师来回巡视,注意旁听有代表性的意见)
教师:现在请同学来汇报讨论结果。
学生:用经典物理学的速度叠加原理,在车厢中的甲认为光相对车厢(无论向前还是向后)的速度为c,所以闪光到达前后壁的时间都是L/c,甲的结论是:闪光同时到达车厢的前后壁。而站在地面的观察者认为因光源以v的速度向前运动,所以光向前传播的速度为(c + v),向后传播的速度为(c-v),但由于车以v向前运动,所以两束光相对车厢传播速度都为c,地面的观察者也认为两束光同时到达车厢的前后壁,这两件事是同时的。
教师:这个结论说明了在绝对时空观中,两个同时发生的事件,在不同的惯性参考系中测得的结果也是同时的;暂且不说这种观点正确与否,但它与日常经验基本是一致的,原因是光速远大于车的速度。
让我们再来讨论另一个例子:设甲乙两人玩投手球运动,甲投球、乙接球。两个人相距L,假设甲投球的速度为v,现在甲开始投球,问:乙是先看到甲投球的动作,还是先看到球飞离甲的手中(在空中运动)?
(学生讨论)
预测1:学生的回答可能有如下:
(1)应先看到投球动作,后看到球飞离手中。
(2)用速度合成公式得出甲投球动作的光线到达乙的眼睛的时间为,球飞离手中的光线到达乙的眼睛的时间 ,结论是乙先看到球飞离甲的手中,再看到甲的投球动作。问题1:教师要引导学生认识"乙先看到球飞离甲的手中,再看到甲的投球动作"这个结果按速度合成公式计算是对的,但与实际情况是不一致的,我们在日常生活中是不可能看到这种颠倒先后的怪现象;引导学生认识速度合成公式不能用于光速。
教师:刚才的事例说明了什么问题?
学生:光速不满足速度合成公式。
学生:光是电磁波,经典力学的相对性原理对光波不适用。
教师:对,在电磁学的领域,经典物理的相对性原理遇到了困难,这个困难就是与光速有关。自从麦克斯韦预言了光的电磁本质及电磁波的速度后,物理学家们就在思考,这个速度是对哪一个参考系的?当时最有代表性的是"以太假说"。