2022年高中物理 《狹義相對(duì)論的基本原理》教案 滬科版選修3-4

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1、2022年高中物理 《狹義相對(duì)論的基本原理》教案 滬科版選修3-4 【教學(xué)目標(biāo)】 一、知識(shí)與技能 1、 了解狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本公設(shè)，并初步了解愛因斯坦對(duì)時(shí)空的新認(rèn)識(shí)。 2、 知道伽利略變換與洛倫茲變換反映的時(shí)空觀的不同。 3、 理解同時(shí)的相對(duì)性 二、過(guò)程與方法 1、通過(guò)學(xué)習(xí)愛因斯坦提出兩條假設(shè)的過(guò)程，理解實(shí)驗(yàn)對(duì)理論的重要作用以及愛因斯坦的時(shí)空觀。 2、通過(guò)兩條假設(shè)理解同時(shí)的相對(duì)性，加深對(duì)相對(duì)論時(shí)空觀的理解。 三、情感態(tài)度與價(jià)值觀 （1）理解相對(duì)論的時(shí)空觀，體會(huì)相對(duì)論的建立對(duì)人類認(rèn)識(shí)世界的影響。 （2）學(xué)會(huì)辯證地看待經(jīng)典物理理論和相對(duì)論。 【

2、學(xué)情分析】 學(xué)習(xí)已經(jīng)了建立狹義相對(duì)論中光速不變的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，以及愛因斯坦的探索發(fā)現(xiàn)，因此學(xué)習(xí)狹義相對(duì)論的兩條公設(shè)，已成順理成章的事情。不過(guò)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于隨兩條公設(shè)的提出而帶來(lái)的時(shí)空觀的變化。 【教學(xué)思路】 因此本節(jié)教學(xué)應(yīng)注意與上節(jié)知識(shí)的銜接，重視思維邏輯的連貫性，逐步建立新結(jié)論。學(xué)生在思維中有很容易回到經(jīng)典時(shí)空觀上去將新舊時(shí)空觀混為一談，教學(xué)中應(yīng)注意強(qiáng)調(diào)區(qū)別。 【教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)】 1、 狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本公設(shè) 2、 愛因斯坦的時(shí)空觀——相對(duì)論時(shí)空觀 【教學(xué)方法】 問題式討論和講授。 【教學(xué)過(guò)程】 一、 引入新課： 通過(guò)上節(jié)課的學(xué)習(xí)，我們知道：光速是與參考系無(wú)關(guān)的常量

3、；經(jīng)典物理學(xué)中的速度變換關(guān)系對(duì)電磁規(guī)律不適用，等。 對(duì)這些問題，許多物理學(xué)家試圖通過(guò)在經(jīng)典物理學(xué)內(nèi)進(jìn)行修補(bǔ)，仍無(wú)法解決上述矛盾。 而愛因斯坦發(fā)現(xiàn)問題的癥結(jié)在于經(jīng)典物理學(xué)的時(shí)空觀，因此他擯棄了經(jīng)典物理學(xué)的時(shí)空觀，根據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)提出了狹義相對(duì)論的兩條公設(shè)，用理論研究的方法得到了狹義相對(duì)論的全部結(jié)論，當(dāng)然狹義相對(duì)論建立了一種新的時(shí)空觀。我們下面看看愛因斯坦是怎樣思考的。 二、 新課教學(xué) 狹義相對(duì)論的兩條公設(shè) 1、 伽利略變換 設(shè)開始時(shí)慣性系S′（O′-x′y′z′） 相對(duì)慣性系S（O-xyz）完全重合， S′ 系相對(duì)S系以速度v沿x軸正方向運(yùn)動(dòng)。由伽利略變換: （1）

4、 （位置坐標(biāo)變換） 可得： (2) (速度變換) （3） （加速度變換） 此式表明：從不同得慣性系所觀察到的同一質(zhì)點(diǎn)的加速度是相同的，或說(shuō)成：物體的加速度對(duì)伽利略變換是不變的。 進(jìn)一步可知，牛頓第二定律對(duì)伽利略變換是不變的。它反映的時(shí)空觀是——絕對(duì)時(shí)空觀：時(shí)間和空間都是絕對(duì)的，彼此無(wú)關(guān)。 但是將這個(gè)原理推廣到與光速有關(guān)的問題中，就產(chǎn)生了無(wú)法解決的矛盾：按照經(jīng)典力學(xué)的速度合成法則（伽利略速度變換公式），光速在不同的慣性系中可能

5、會(huì)超過(guò)或小于3×105km/s ，然而大量事實(shí)證明光的傳播速度與光源的運(yùn)動(dòng)情況無(wú)關(guān)，光在任何慣性系中都是不變的。 2、 愛因斯坦認(rèn)為空間和時(shí)間是統(tǒng)一的相互聯(lián)系的，不可分離的。 3、 愛因斯坦提出兩條公設(shè)： （1）在所有相互做勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的。 （2）在所有相互做勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性參考系中，光在真空中的傳播速度都等于c，跟光源的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。 公設(shè)（1）通常叫做愛因斯坦相對(duì)性原理。 公設(shè)（2）通常叫做光速不變?cè)怼? 在絕對(duì)時(shí)空觀看來(lái)，這兩條假設(shè)的確是矛盾的。因此必須拋棄絕對(duì)時(shí)間、絕對(duì)空間的觀念。 洛倫茲變換 設(shè)開

6、始時(shí)慣性系S′ 相對(duì)慣性系S完全重合，S′ 以速度相對(duì)S以v沿x軸正方向運(yùn)動(dòng)。 洛倫茲變換為 這個(gè)變換關(guān)系反映出來(lái)的時(shí)空觀念是：時(shí)間、空間都與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)有著不可分割的聯(lián)系，而且時(shí)間與空間之間也有一定的內(nèi)在聯(lián)系。這就是相對(duì)論的時(shí)空觀：時(shí)空的相對(duì)性。 同時(shí)可以看到，當(dāng)v<

7、 2、 同時(shí)的相對(duì)性的理解 如圖一列車以很快的速度v沿平直的鐵路運(yùn)動(dòng)。 設(shè)想某節(jié)車廂內(nèi)處于正中間位置有一位觀察者A和一臺(tái)閃光器S，車廂頭和車廂尾各有一個(gè)光接收器P和Q。 地面站臺(tái)上有一個(gè)觀察者B如右圖所示。在列車駛過(guò)站臺(tái)A、B兩個(gè)觀察者相遇的瞬間閃光器發(fā)出閃光，此后P、Q兩接收器分別接收到閃光，這便是兩個(gè)事件（設(shè)P接收到閃光為事件1，Q接收到閃光為事件2）。 1) 在狹義相對(duì)論看來(lái)，同時(shí)是相對(duì)的 A會(huì)觀測(cè)到1、2兩事件同時(shí)發(fā)生。因?yàn)樵贏看來(lái)，光相對(duì)車的速度為c，無(wú)論向前還是向后傳，而P、Q到S的距離相同。設(shè)這個(gè)時(shí)間為t′。 但是在B看來(lái)就不一樣了，B認(rèn)為光相對(duì)車的速度為c，光相對(duì)

8、地面的速度也是c，無(wú)論向前還是向后傳（光速不變?cè)恚?，而從發(fā)出閃光到1、2事件分別發(fā)生，P、Q均會(huì)向前運(yùn)動(dòng)一段距離，也就是說(shuō)向前傳播的光所經(jīng)過(guò)的距離要大于向后傳播的光所經(jīng)過(guò)的距離；因此B將會(huì)觀測(cè)到：Q先接收到光，P后接收到光，所用時(shí)間計(jì)算如下： ， 即tQ< tP，即事件2先發(fā)生，事件1后發(fā)生，即事件1、2并不同時(shí)發(fā)生。 2) 但在經(jīng)典物理學(xué)看來(lái)，同時(shí)是卻絕對(duì)的 A仍然會(huì)觀測(cè)到1、2兩事件同時(shí)發(fā)生。他認(rèn)為光相對(duì)他的速度是c，光源到PQ又距離相等，所以兩束光將同時(shí)到達(dá)PQ。 而B認(rèn)為光速c是相對(duì)地面的，由伽利略變換可以計(jì)算兩束光到達(dá)PQ各用多長(zhǎng)的時(shí)間：

9、 tP(c+v)=x′+vtP 可得 tP= tQ(c-v)=x′-vtQ 可得 tQ= 顯然，tP= tQ，即兩束光仍將同時(shí)到達(dá)PQ。這就是經(jīng)典物理學(xué)中同時(shí)的絕對(duì)性。 三、 學(xué)生閱讀P．108 【多學(xué)一點(diǎn)】 《相對(duì)論的速度變換公式》 車對(duì)地的速度為v，人對(duì)車的速度為u′ 地面上的人看到車上人相對(duì)地面的速度為u ， 則有 如果車上人運(yùn)動(dòng)方向與火車運(yùn)動(dòng)方向相同，u′ 取正值 如果車上人運(yùn)動(dòng)方向與火車運(yùn)動(dòng)方向相反，u′ 取負(fù)值 老師在學(xué)生閱讀后，對(duì)教材中的公式做必要的說(shuō)明，幫助學(xué)生理解。 四、 典

10、型例題 【例題1】愛因斯坦相對(duì)性原理與光速不變?cè)碛袩o(wú)矛盾？為什么？ 【解析】從光速不變?cè)淼膬?nèi)容看，“光在真空中的速度都是相同的”，這正好體現(xiàn)了“在所有相互做勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性參考系中一切物理規(guī)律都是相同的”——愛因斯坦相對(duì)性原理。因此我們說(shuō)這兩條原理并不矛盾。 【例題2】在狹義相對(duì)論中，下列說(shuō)法正確的有（??? ） ??? A. 一切運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)于觀察者的速度都不能大于真空中的光速 ??? B. 質(zhì)量、長(zhǎng)度的測(cè)量結(jié)果都與物體相對(duì)觀察者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān) ??? C. 時(shí)間的測(cè)量結(jié)果與物體相對(duì)觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān) ??? D. 在某一慣性系中發(fā)生于同一時(shí)刻、不同

11、地點(diǎn)的兩個(gè)事件，在其他一切慣性系中也是同時(shí)發(fā)生的 【解析】根據(jù)狹義相對(duì)論，光速是速度的極限值，所以A正確；根據(jù)狹義相對(duì)論，長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間間隔都與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，且都給出了具體的速度公式，所以B對(duì)，C錯(cuò)；同時(shí)是相對(duì)的，D錯(cuò)。正確選項(xiàng)為A、B。 答案： AB?? 五、 課堂小結(jié) 本節(jié)主要學(xué)習(xí)了： 1、 狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本公設(shè)：光速不變?cè)砗蛺垡蛩固瓜鄬?duì)性原理 2、 洛倫茲變換： 3、 狹義相對(duì)論的時(shí)空觀：空間和時(shí)間是統(tǒng)一的相互聯(lián)系的，不可分離的。 4、 同時(shí)的相對(duì)性： 在一個(gè)慣性系中的觀察者觀測(cè)到兩個(gè)事件是同時(shí)發(fā)生的，那么在另一個(gè)慣性系中的觀察者可能觀測(cè)到這兩個(gè)事件不是同時(shí)發(fā)生的。 即同時(shí)是相對(duì)的，跟觀察者選取的參考系有關(guān)。 六、 家庭作業(yè)與活動(dòng) 思考與練習(xí)：P.108 〖家庭作業(yè)與活動(dòng)〗1、2、3