2019-2020年高中物理 電磁場(chǎng)理論引發(fā)的怪異問(wèn)題教案 滬科版選修3-4【教學(xué)目標(biāo)】（一）知識(shí)與技能（1）了解相對(duì)論誕生的歷史背景，知道麥克耳孫一莫雷實(shí)驗(yàn)（2）了解經(jīng)典的相對(duì)性原理（伽利略相對(duì)性原理）（3）進(jìn)一步認(rèn)識(shí)經(jīng)典電磁理論的缺陷（二）過(guò)程與方法（1）了解對(duì)經(jīng)典物理學(xué)內(nèi)部矛盾的探索過(guò)程（2）理解愛(ài)因斯坦對(duì)電磁現(xiàn)象的科學(xué)探究思想方法和發(fā)現(xiàn)（三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀(guān)通過(guò)對(duì)本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，認(rèn)識(shí)科學(xué)假設(shè)在科學(xué)發(fā)現(xiàn)上的重要作用，進(jìn)一步理解邏輯推理的力量。【學(xué)情分析】學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了經(jīng)典物理學(xué)的絕大部分基本知識(shí)，已經(jīng)習(xí)慣了在經(jīng)典時(shí)空觀(guān)下思考問(wèn)題，對(duì)教材介紹的實(shí)驗(yàn)理解，已有相關(guān)知識(shí)的支持。學(xué)習(xí)的難點(diǎn)在于新問(wèn)題新結(jié)論的得出，因此教學(xué)中應(yīng)注意把教學(xué)重點(diǎn)放在，邏輯推理的基礎(chǔ)和邏輯推理的過(guò)程上。【教學(xué)思路】通過(guò)在具體實(shí)例中提出問(wèn)題、揭示矛盾、引發(fā)學(xué)生思考，然后通過(guò)相對(duì)論假設(shè)進(jìn)行邏輯推理，得出結(jié)論?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】1、明確狹義相對(duì)論的一個(gè)重要的理論基礎(chǔ)邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)2、了解愛(ài)因斯坦的探究及發(fā)現(xiàn)經(jīng)典物理學(xué)存在問(wèn)題的癥結(jié)在于運(yùn)動(dòng)學(xué)的基本概念上?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究和理論分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)典物理學(xué)（從電磁學(xué)入手）存在的問(wèn)題。【教學(xué)方法】講授法+自主學(xué)習(xí)法【教學(xué)過(guò)程】新課引入：19世紀(jì)后半葉，電磁理論已被證實(shí)是正確的，并確認(rèn)光是電磁波。由于當(dāng)時(shí)人們按照機(jī)械波傳播時(shí)需要介質(zhì)，認(rèn)為電磁波和光的傳播也需要要介質(zhì)，而事實(shí)表明電磁波和光在真空中也可以傳播。在真空中是借助什么介質(zhì)傳播的呢？傳播電磁波和光的介質(zhì)一時(shí)找不到，當(dāng)時(shí)人們便接受了亞里士多德的“以太”學(xué)說(shuō)，認(rèn)為“以太”就是傳播電磁波和光的介質(zhì)。那么光速就應(yīng)該是光相對(duì)“以太”的速度。亞里士多德認(rèn)為世界有“土、水、火、氣”四種元素組成，后來(lái)又補(bǔ)充了第五種元素“以太”。至于“以太”是什么物質(zhì)，也是人們感到困擾的?？茖W(xué)發(fā)展至今，我們知道電磁波的傳播本來(lái)就不需要介質(zhì)。那么會(huì)思考：這“以太”是否存在？一、歷史上一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)：邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)1、閱讀教材：經(jīng)典物理中的速度合成公式：P.1032、將經(jīng)典物理中的速度合成公式用于光的傳播問(wèn)題：按照經(jīng)典物理理論，假定光在“以太”中的傳播速度為c，那么如果觀(guān)察者相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)的話(huà)，觀(guān)察者測(cè)量的光速將不會(huì)是c。如果觀(guān)察者順著光的方向運(yùn)動(dòng)，測(cè)量的光速將會(huì)比c?。蝗绻^(guān)察者逆著光的方向運(yùn)動(dòng)，測(cè)量的光速將會(huì)比c大。3、邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)1886年，邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)就是希望通過(guò)干涉現(xiàn)象探尋以太相對(duì)地球是如何運(yùn)動(dòng)的而設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)：如果“以太”相對(duì)地面運(yùn)動(dòng)，那么在干涉儀旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，將會(huì)看到干涉條紋的移動(dòng)。因?yàn)楣庠诓煌较虻膫鞑ニ俣葧?huì)有所不同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在水平面上轉(zhuǎn)動(dòng)干涉儀的過(guò)程中，沒(méi)有觀(guān)察到干涉條紋預(yù)期的移動(dòng)。這就是說(shuō)：地球相對(duì)以太的速度v實(shí)際上等于零，或者說(shuō)以太不存在；光速c是不變的。此即所謂邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)的“以太漂移的零結(jié)果”。此后的50年中，有11位科學(xué)家發(fā)表了13份精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，都得到了“以太漂移的零結(jié)果”這是光速不變和以太不存在的判定性實(shí)驗(yàn)。4、分析論證：光在任何方向上，相對(duì)地球的傳播速度都是相同的。據(jù)此科學(xué)家認(rèn)為，要么“以太”本身就不存在，要么“以太”存在但它相對(duì)地球是靜止的。但事實(shí)表明“以太”本身是不存在的，因?yàn)槿藗冊(cè)跍y(cè)量太陽(yáng)光的光速與地面上的光源發(fā)出的光的光速也是相同的，因此否定了后一種假設(shè)。二、經(jīng)典電磁理論的“缺陷”1、伽利略相對(duì)性原理：力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的，即任何慣性參考系都是平權(quán)的（即等價(jià)的）。什么是慣性系？什么是非慣性系？ 牛頓運(yùn)動(dòng)定律能夠成立的參考系叫慣性系，牛頓運(yùn)動(dòng)定律不成立的參考系稱(chēng)為非慣性系。通常我們認(rèn)為地球是一個(gè)很好的慣性系。根據(jù)慣性系的概念，不難推出，相對(duì)于一個(gè)慣性系做勻速運(yùn)動(dòng)的另一個(gè)參考系也是慣性系。如我們坐在勻速運(yùn)動(dòng)的汽車(chē)輪船里，觀(guān)察物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，汽車(chē)輪船作為參考系都是慣性系。相反，如果我們坐在加速的車(chē)廂里，以車(chē)廂為參考系觀(guān)察路邊的樹(shù)木房屋向后方加速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，房屋樹(shù)木應(yīng)該受到不為零的合外力作用，但事實(shí)上沒(méi)有，也就是牛頓運(yùn)動(dòng)定律不成立。這里加速的車(chē)廂就是非慣性系。2、伽利略相對(duì)性原理：對(duì)于力學(xué)規(guī)律來(lái)說(shuō)，一切慣性系都是等價(jià)的。3、愛(ài)因斯坦認(rèn)為，在不同的慣性系中，一切物理規(guī)律(包括電磁規(guī)律)都應(yīng)該的是相同的。即對(duì)于所有物理規(guī)律，一切慣性系都是等價(jià)的。但電磁規(guī)律在不同的慣性系中，卻表現(xiàn)出不同的結(jié)論。正如愛(ài)因斯坦對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的思考：如右圖所示，我們知道，當(dāng)磁體相對(duì)導(dǎo)體閉合回路運(yùn)動(dòng)時(shí)回路中就產(chǎn)生感應(yīng)電流，不管是磁體運(yùn)動(dòng)還是回路運(yùn)動(dòng)。但從磁體看，肯定沒(méi)有電場(chǎng)；可是從導(dǎo)體回路看卻肯定沒(méi)有磁場(chǎng)。因此應(yīng)該從整體上認(rèn)識(shí)電場(chǎng)和磁場(chǎng)。同時(shí)愛(ài)因斯坦認(rèn)為把力學(xué)中的速度公式用于電磁場(chǎng)問(wèn)題，這也是值得懷疑的。經(jīng)過(guò)若干年的探索之后，他才發(fā)現(xiàn)其原因在于運(yùn)動(dòng)學(xué)一些基本概念的任意性上即我們過(guò)去的時(shí)空觀(guān)存在問(wèn)題。【課堂練習(xí)】1、“以太”存在嗎？你通過(guò)學(xué)習(xí)，說(shuō)明為什么存在或不存在？2、什么是“伽利略相對(duì)性原理”？愛(ài)因斯坦對(duì)它進(jìn)行了推廣，提出了什么看法？3、愛(ài)因斯坦經(jīng)過(guò)多年探索，發(fā)現(xiàn)經(jīng)典物理學(xué)遇到的不能解決的問(wèn)題，其原因在哪里？ 答案請(qǐng)同學(xué)在教材后在教材上尋找【課堂小結(jié)】通過(guò)學(xué)習(xí)我們知道了： 1、“以太”不存在； 2、光速不會(huì)隨參考系而發(fā)生變化，即光速不變； 3、得到以上兩個(gè)結(jié)論的基礎(chǔ)是實(shí)驗(yàn)：邁克耳-莫雷實(shí)驗(yàn)以及一些測(cè)定光速的實(shí)驗(yàn)。 4、愛(ài)因斯坦經(jīng)過(guò)多年的探索和深邃的思考，發(fā)現(xiàn)經(jīng)典物理學(xué)的時(shí)空觀(guān)存在問(wèn)題?！炯彝プ鳂I(yè)與活動(dòng)】思考與討論：P.104 家庭作業(yè)與活動(dòng)1、2、3