滬科版必修2《狹義相對(duì)論的基本原理》教案

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1、 最新滬科版必修 2《狹義相對(duì)論的基本原理》教案 狹義相 對(duì)論的基本原理 【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(ài)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(ài)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(ài)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

2、對(duì)論的建立對(duì)人類(lèi)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。 【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(ài)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(ài)因斯坦的時(shí)空觀——

3、相對(duì)論時(shí)空觀 【教學(xué)方法】 問(wèn)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；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。 1 / 6 對(duì)這些問(wèn)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(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)問(wèn)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

4、了一種新的時(shí)空觀。我們下面看看愛(ài)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(kāi)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 : x x vt （ 1） y y （位置坐標(biāo)變換） z z t t vx vx v 可得： (2) vy vy ( 速度變換 ) vz vz

5、 ax ax （ 3） ay ay （加速度變換） az az 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(wèn)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

6、中可能會(huì)超過(guò)或小于 3105km/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(ài)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(ài)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 2 / 6 光源的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。 公設(shè)（ 1）通常叫做 愛(ài)因斯坦相對(duì)性原理。 公設(shè)（ 2）通常叫做 光

7、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(kāi)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 x = x +vt v2 1- 2 c y = y z = z t + v x t = c2 1-  v2 c2 這個(gè)變換關(guān)系反映出來(lái)的時(shí)空觀念

8、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<< c 時(shí) ,x≈x′,t≈t′,即在低速領(lǐng)域狹義相對(duì)論的結(jié)論與經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論趨于一致 。這也說(shuō)明了狹義相對(duì)論的合理性。 同時(shí)的相對(duì)性 1、 什么是同時(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)。 2、 同時(shí)的相對(duì)性的理解 如圖一列車(chē)以很快的速度 v 沿平直的鐵路運(yùn)動(dòng)

9、。 3 / 6 設(shè)想某節(jié)車(chē)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(chē)廂頭和車(chē)廂尾各有 一個(gè)光接收器 P 和 Q。 v 地面站臺(tái)上有一個(gè)觀察者 B 如右圖所示。在列車(chē) 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）。  v Q S P A 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

10、。因?yàn)樵? B A 看來(lái) , 光相對(duì)車(chē)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(chē)的速度為 c,光相對(duì)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：

11、 t v2 x t v2 x tP = c , tQ = c v2 1 v2 1 c2 c2 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?xún)墒鈱⑼瑫r(shí)到達(dá) PQ。 而 B 認(rèn)為

12、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： tP(c+v )=x′+vtP 可得 tP= x′ c tQ(c-v )=x′-vtQ 可得 tQ= x′ c 顯然 ,tP= t Q,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)】 4 / 6 《相對(duì)論的速度變換公式》 車(chē)對(duì)地的速度為 v

13、,人對(duì)車(chē)的速度為 u′地面上的人看到車(chē)上人相對(duì)地面的速度為 u , 則有 u + v u = uv 1+ c 2 如果車(chē)上人運(yùn)動(dòng)方向與火車(chē)運(yùn)動(dòng)方向相同 ,u′取正值 如果車(chē)上人運(yùn)動(dòng)方向與火車(chē)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、 典型例題 【例題 1】愛(ài)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

14、參考系中一切物理規(guī)律都是相同的”——愛(ài)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)

15、 , 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?ài)因斯坦相對(duì)性原理 5 / 6 x = x + vt 1 - v 2 c 2 2、 洛倫茲變換： y = y z = z t + v x t =

16、 c 2 v 2 1 - c 2 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 6 / 6