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2019-2020年高三物理 第二十三章 相對論簡介 一、狹對相對論的基本假說(第一課時) ●本節(jié)教材分析 本節(jié)在介紹了經(jīng)典的相對性原理的基礎上，提出了光速不變與傳統(tǒng)觀念的矛盾，進而引入了狹義相對論的兩個基本假設.一些經(jīng)典的定理和法則在人們頭腦中已經(jīng)根深蒂固，學生在學習時很難理解速度合成法則和同時性在高速狀態(tài)下是不成立的.教學中要讓學生認識到實驗是檢驗物理知識正確與否的最終標準.“事件”的概念是理解同時相對性的基礎，要著力討論清楚，關于事件發(fā)生先后的結論在后面的學習中經(jīng)常要用到，應盡可能使學生記住，可通過一些實際問題的訓練加深學生的理解. ●教學目標 一、知識目標 1理解經(jīng)典的相對性原理以及光的傳播與經(jīng)典的速度合成法則之間的矛盾. 2理解狹義相對論的基本假設以及同時的相對性. 二、能力目標 1通過學習，提高分析物理現(xiàn)象與定理定律矛盾的能力. 2培養(yǎng)嚴密的邏輯推理能力. 三、德育目標 通過對本節(jié)內容的學習，認識科學假設在科學發(fā)現(xiàn)上的重要作用，進一步理解邏輯推理的力量. ●教學重點 兩個假設和同時的相對性. ●教學難點 光速不變原理及同時的相對性. ●教學方法 通過在具體實例中提出問題、揭示矛盾、引發(fā)學生思考，然后通過相對論假設進行邏輯推理，得出結論. ●教學用具 投影儀及投影片. ●課時安排 1課時 ●教學過程 一、引入新課 復習慣性系和非慣性系 ［師］請同學們回憶一下什么是慣性系？什么是非慣性系？舉例說明. ［生］牛頓運動定律能夠成立的參考系叫慣性系，勻速運動的汽車輪船等作為參考系就是慣性系.牛頓運動定律不成立的參考系稱為非慣性系.例如我們坐在加速的車廂里，以車廂為參考系觀察路邊的樹木房屋向后方加速運動，根據(jù)牛頓運動定律，房屋樹木應該受到不為零的合外力作用，但事實上沒有，也就是牛頓運動定律不成立.這里加速的車廂就是非慣性系. ［師］很好，根據(jù)慣性系的概念，不難推出，相對于一個慣性系做勻速運動的另一個參考系也是慣性系. 二、新課教學 （一）經(jīng)典的相對性原理 ［師］下面我們來研究一個簡單的力學問題.(投影問題） 如圖23—1，在列車車廂的光滑水平面上有一個質量為m=0.5 kg的小球，正隨車廂一起以20 m/s的速度勻速前進.現(xiàn)在給小球一個水平向前的F=5 N的拉力作用，求經(jīng)10 s時，車廂里的觀察者和地面的觀察者看到小球的速度分別是多少？ 圖23—1 學生分析：對車上的觀察者 物體初速度v0=0 加速度a==10 m/s2 10 s時速度v1=at=10 m/s 對地上的觀察者 方法一：物體初速度v0=20 m/s 加速度相同a==10 m/s2 10 s末速度v2=v0+at=30 m/s 方法二：根據(jù)速度合成法則 v2=v1+v0=(10+20) m/s=30 m/s ［師］通過這個例子大家看到，在兩個慣性系中，雖然觀察到的結果并不相同，一個是10 m/s,另一個是30 m/s，但我們卻應用了同樣的運動定律和速度合成法則，也就是說，我們相信：力學規(guī)律在任何慣性系中都是相同的.這就是伽利略相對性原理.在一個慣性參考系內的任何力學實驗都無法判斷這個參考系是否相對于另一個參考系做勻速運動或者說任何參考系都是平權的. (教師還可引導學生舉例說明相對性原理，并進行討論） （二）光速引起的困難 ［師］請大家看課本圖23—1，考慮幾個問題： 1.參考系O′相對于參考系O靜止時，人看到的光速應是多少？ 2參考系O′相對于參考系O以速度v向右運動，人看到的光速應是多少？ 3參考系O′相對于參考系O以速度v向左運動，人看到的光速又是多少？ ［生］第一種情況人看到的光速應是c，第二種情況應是c+v，第三種情況應是c-v. ［師］說說你們判斷依據(jù). ［生］根據(jù)速度合成的法則. ［師］大家認為對嗎？ （學生一致認為正確） ［師］如果這個法則有問題呢？ （學生沉默） ［師］實踐是檢驗真理的標準，我們是不是可以通過實驗來檢驗呢？回答是肯定的，這就是著名的麥克爾遜測定光速的實驗，同學們應該有印象. ［生］不論光源和觀察者怎樣運動，光速都是相同的. ［師］這與我們從速度合成法則推導的結論發(fā)生了矛盾.問題出在哪里呢？ （三）狹義相對論的兩個假設 ［師］這一矛盾，不僅對我們的推理給予否定，還對麥克斯韋電磁場理論提出了挑戰(zhàn)：要么否定特殊參考系O的存在，要么放棄麥克斯韋電磁場理論.愛因斯坦選擇了后者，提出了兩條假設：（投影） 1在不同的慣性系中，一切物理規(guī)律都是相同的.(愛因斯坦相對性原理） 2真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的.(光速不變原理） ［生］為什么這兩個結論被稱為假設呢？ ［師］雖然這兩個假設可以由麥克爾遜實驗直接推出，但這畢竟是有限的幾次實驗，只有用這個假設得出大量的結論與事實相符時，它們才能成為真正意義上的原理，這才是科學的態(tài)度. (四）同時的相對性 ［師］首先我們來認識一下“事件”的概念，在這里我們說的事件可以指一個嬰兒的誕生，一個光子與觀測儀器的撞擊或閃電打擊地面等等.請大家再舉幾個例子. ［生］光從光源發(fā)出，宇宙中某個星體的爆發(fā)，一個車輛的啟動等都是“事件”. ［師］下面我們通過一個實例分析，來看看經(jīng)典物理和相對論對同時的理解有何不同. ［投影問題］ 車廂長為L，正以速度v勻速向右運動，車廂底面光滑，現(xiàn)有兩只完全相同的小球，從車廂中點以相同的速率v0分別向前后勻速運動，（相對于車廂），問（1）在車廂內的觀察者看來，小球是否同時到達兩壁？（2）在地上的觀察者看來兩球是否同時到達兩壁？ 圖23—2 分析：在車上的觀察者看來， A球經(jīng)時間tA== B球經(jīng)時間tB== 因此兩球同時到達前后壁. 在經(jīng)典物理學家看來，同時發(fā)生的兩件事在任何參照系中觀察，結果都是同時的，兩球也應同時到達前后壁.這是我們在日常生活中得到的結論. ［師］如果把上述事件換成兩列光的傳播，情況如何呢？ （引導學生看圖23—2，從經(jīng)典觀點和光速不變原理兩方面分析） ［生］在車上的觀察者看來，閃光同時到達前后壁，在地上的觀察者看來，閃光先到達后壁. ［師］為什么呢？ ［生］根據(jù)愛因斯坦相對性原理，在不同參考系中一切物理規(guī)律都是相同的，這里勻速運動規(guī)律也一樣，據(jù)s=ct得t=,車上觀察者看來s相同，c也一樣，所以t相同，而對地面的觀察者，光向后位移s小，而光速仍然不變，所以向后運動光需要較短時間到達后壁. ［師］分析得不錯，由此看來，根據(jù)愛因斯坦相對性原理和光速不變原理，我們自然會得出“同時是相對的”這樣一個原理，也就是說，在一個參考系中看來“同時”的，在另一個參考系中卻可能“不同時”. ［師］那么為什么我們平時不能觀察這種現(xiàn)象呢？ ［生］因為火車速度相對于光速來說太小，在光傳播的短時間內，火車位移不大，我們不能發(fā)現(xiàn)這么短的時間差.如果火車速度接近光速，這一現(xiàn)象一定很明顯. ［師］是的，看來經(jīng)典的時間觀動搖了，相對論給我們展示了高速運動狀態(tài)下全新的世界. 三、小結 本節(jié)課我們通過 復習慣性系概念，理解了經(jīng)典的相對性原理. 光速實驗引起的困難，理解了光的傳播與經(jīng)典理論的矛盾. 狹義相對論的兩個基本假設，理解了同時的相對性. 四、布置作業(yè) 練習一（1）、（2）、（3） 五、板書設計 （一）經(jīng)典的相對性原理 慣性系：牛頓運動定律成立的參考系. 相對性原理、力學規(guī)律在任何慣性系中都是相同的. （二）光速引起的困難 不論觀察者與光源做怎樣的相對運動，光速都是不變的. (三)狹義相對論的兩個假設 1不同慣性系中，一切物理規(guī)律都是相同的. 2真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的. (四)同時的相對性 在不同參考系中，同時是相對的. 六、本節(jié)優(yōu)化訓練設計 1.下列說法正確的是 A.力學規(guī)律在任何參考系中都是相同的 B.在所有慣性系中物理規(guī)律都是相同的 C.在高速運動情況下，慣性系中的物理規(guī)律也不一定相同 D.牛頓運動定律在非慣性系中不變 2.設某人在以速度為0.5c的飛船上，打開一個光源，則下列說法正確的是 A.飛船正前方地面上的觀察者看到這一光速為1.5c B.飛船正后方地面上的觀察者看到這一光速為0.5c C.在垂直飛船前進方向地面上的觀察者看到這一光速是c D.在地面上任何地方的觀察者看到的光速都是c 3.為什么我們在日常生活中沒有人覺察到不同參考系中同時的相對性？ 參考答案：1.B 2.CD 3.略