人教版選修34 相對論的誕生 第1課時(shí) 教案.doc

15.1相對論誕生課型：新授教學(xué)目標(biāo)：知識與技能：（1）了解相對論誕生的歷史背景，知道麥克耳孫一莫雷實(shí)驗(yàn)（2）了解經(jīng)典的相對性原理（3）知道相對性原理與電磁規(guī)律之間的矛盾（4）知道狹義相對論的兩個(gè)基本假設(shè)過程與方法：（1）了解對經(jīng)典物理學(xué)內(nèi)部矛盾的探索過程（2）理解愛因斯坦建立相對論的科學(xué)探究思想和邏輯推理方法情感態(tài)度價(jià)值觀：（1）明確物理理論的發(fā)展的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn) 教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)：狹義相對論的兩點(diǎn)假設(shè)教 學(xué) 方 法 ：閱讀小結(jié) 教學(xué)過程：牛頓的經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)就是三大定律，形成于十七世紀(jì)，在以后的兩個(gè)多世紀(jì)里，牛頓力學(xué)對科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展起了巨大的推動作用。但是，進(jìn)入二十世紀(jì)，物理學(xué)研究的領(lǐng)域開始深入到了微觀高速領(lǐng)域19世紀(jì)后半葉，在電磁場的研究中不斷遇到一些矛盾，這些矛盾導(dǎo)致了相對論的出現(xiàn)一、經(jīng)典的相對性原理1、慣性系： 牛頓運(yùn)動定律成立的參考系2、伽利略相對性原理：力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的 還可表述為：在一個(gè)慣性參考系內(nèi)進(jìn)行的任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都不能判斷這個(gè)慣性系是否相對于另一個(gè)慣性系做勻速直線運(yùn)動； 或者說：任何慣性系都是平權(quán)的。二、相對性原理與電磁規(guī)律之間的矛盾麥克斯韋電磁理論的困難：光是電磁波；由于真空介電常數(shù)和磁導(dǎo)率是與參考系無關(guān)的常量，因此c也應(yīng)是與參考系無關(guān)。這就是說在任何參考系中測得的光在真空中的速度都應(yīng)該是同一數(shù)值。但是，根據(jù)相對性原理，若以c表示某一參考系k中測得的真空中光的速度，c為以u運(yùn)動的k系中測得的光在真空中的速度，根據(jù)伽利略變換，就應(yīng)有： c= cu矛盾激發(fā)：“在不同的慣性系中光速不同”“任何參考系中光速度都應(yīng)該是同一數(shù)值”，說明相對性原理涉及到接近光速的高速領(lǐng)域產(chǎn)生了明顯的困難。當(dāng)時(shí)人們?yōu)榱私鉀Q這個(gè)困難，提出了三種可能：（1）麥克斯韋電磁理論有錯(cuò)，正確的電磁方程組應(yīng)滿足伽利略不變性。（2）牛頓力學(xué)與麥克斯韋電磁理論都對，但麥克斯韋電磁理論只在某一特殊的慣性系成立。（3）牛頓力學(xué)與伽利略變換不對，應(yīng)存在某種變換，麥克斯韋電磁理論在這種新的變換下具有不變性。這意味著經(jīng)典牛頓力學(xué)要作修改，修改后的力學(xué)方程在新的變換下具有不變性。上述的矛盾使物理學(xué)家面臨兩個(gè)選擇，一是修正現(xiàn)有的理論，去迎合實(shí)驗(yàn)結(jié)果（這相對比較容易，但常常無效）； 另一種主張徹底擺脫“麥克斯韋電磁理論只適用于某一特殊的慣性系”，創(chuàng)立全新的理論。愛因斯坦、龐加萊等人選擇了后者并提出了兩個(gè)假設(shè)：三、狹義相對論的兩個(gè)基本假設(shè)愛因斯坦相對性原理切物理定律，在不同的慣性系中是相同的 光速不變原理光在真空中的傳播速度在不同的慣性系中測得的數(shù)值都是相同的，與光源、觀察者是否相對運(yùn)動無關(guān)對2個(gè)基本原理的正確理解： 自然規(guī)律不僅包括力學(xué)規(guī)律，還包括電磁學(xué)規(guī)律等其他所有的物理學(xué)規(guī)律；強(qiáng)調(diào)真空中的光速光速不變指大小既不依賴于光源或觀察者的運(yùn)動，也不依賴于光的傳播方向幾十年來科學(xué)家采用各種先進(jìn)的物理技術(shù)測量光速，結(jié)果都不違背光速不變原理。小 結(jié)一、伽利略相對性原理 力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的二、相對性原理與電磁規(guī)律發(fā)生矛盾三、狹義相對論的兩個(gè)基本假設(shè) 1、狹義相對性原理 在不同的慣性參考系，一切物理規(guī)律都是相同的 2、光速不變原理 真空中的光速在不同的慣性參考系中是相同的，光速與光源、觀察者間的相對運(yùn)動沒有關(guān)系。相對論的時(shí)空觀念與人們固有的時(shí)空觀念差別很大，很難被普通人所理解。人們都稱贊愛因斯坦偉大，但又常常弄不懂這偉大的內(nèi)容。這使人們想起英國詩人波譜歌頌牛頓的詩句:自然界和自然界的規(guī)律隱藏在黑暗中， 上帝說：“讓牛頓去吧，”于是一切都成為光明。后人續(xù)寫道: 上帝說完多少年之后， 魔鬼說：“讓愛因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。課堂練習(xí)：1有關(guān)經(jīng)典相對性原理的敘述中，正確的是()。a經(jīng)黃相對性原理對任何規(guī)律都適用b經(jīng)典相對性原理僅是針對力學(xué)規(guī)律而言的c如果某個(gè)參考系中的力學(xué)規(guī)律相同，則這兩個(gè)參考系一定都是慣性參考系d利用相對性原理可以確定任一參考系是否是慣性參考系答案：b經(jīng)典相對性原理是從力學(xué)規(guī)律的角度來論述問題的，同時(shí)也僅對慣性參考系才成立，因此僅有b項(xiàng)正確。2.(多選)如果牛頓定律在參考系a中成立,而參考系b相對于a做勻速直線運(yùn)動,則在參考系b中()a.牛頓定律也同樣成立b.牛頓定律不能成立c.a和b兩個(gè)參考系中,一切力學(xué)規(guī)律都是相同的d.參考系b也是慣性參考系答案:acd3.(多選)關(guān)于狹義相對論的兩個(gè)假設(shè),下列說法正確的是()a.在不同的慣性參考系中,一切物理規(guī)律都是相同的b.在不同的慣性參考系中,力學(xué)規(guī)律都一樣,電磁規(guī)律不一樣c.真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的d.真空中的光速在不同的慣性參考系中是有差別的答案:ac4.如圖所示,強(qiáng)強(qiáng)乘坐速度為0.9c(c為光速)的宇宙飛船追趕正前方的壯壯,壯壯的飛行速度為0.5c。強(qiáng)強(qiáng)向壯壯發(fā)出一束光進(jìn)行聯(lián)絡(luò),則壯壯觀測到該光束的傳播速度為() a.0.4c b.0.5c c.0.9c d.1.0c解析:真空中的光速在不同的慣性參考系中都相同。答案:d 5.話說有兄弟兩個(gè),哥哥乘坐宇宙飛船以接近光的速度離開地球去遨游太空,經(jīng)過一段時(shí)間返回地球,哥哥驚奇地發(fā)現(xiàn)弟弟比自己要蒼老許多,則該現(xiàn)象的科學(xué)解釋是()a.哥哥在太空中發(fā)生了基因突變,停止生長了b.弟弟思念哥哥而加速生長了c.由相對論可知,物體速度越大,在其上時(shí)間進(jìn)程就越慢,生理過程也越慢d.這是神話,科學(xué)無法解釋解析:根據(jù)相對論的時(shí)間延緩效應(yīng),當(dāng)飛船速度接近光速時(shí),時(shí)間會變慢,時(shí)間延緩效應(yīng)對生命過程、化學(xué)反應(yīng)等也是成立的。飛船運(yùn)行的速度越大,時(shí)間延緩效應(yīng)越明顯,人體新陳代謝越緩慢。答案:c6關(guān)于經(jīng)典力學(xué)和狹義相對論，下列說法中正確的是()。a經(jīng)典力學(xué)只適用于低速運(yùn)動，不適用于高速運(yùn)動(速度接近真空中的光速)b狹義相對論只適用于高速運(yùn)動(速度接近真空中的光速)，不適用于低速運(yùn)動c經(jīng)典力學(xué)既適用于低速運(yùn)動，也適用于高速運(yùn)動(速度接近真空中的光速)d狹義相對論既適用于高速運(yùn)動(速度接近真空中的光速)，也適用于低速運(yùn)動答案：ad狹義相對論既適用于高速運(yùn)動的物體，也適用于低速運(yùn)動的物體，經(jīng)典力學(xué)是狹義相對論在一定條件下的特殊情形，只適用于低速運(yùn)動的物體。7以下說法中正確的是()a經(jīng)典物理中的速度合成公式在任何情況下都是適用的b經(jīng)典物理規(guī)律也適用于高速運(yùn)動的物體c力學(xué)規(guī)律在一個(gè)靜止的參考系和一個(gè)勻速運(yùn)動的參考系中是不等價(jià)的d力學(xué)規(guī)律在任何慣性系里都是等價(jià)的答案：d8下列說法中正確的是()a研究鉛球的運(yùn)動，可以用牛頓定律和運(yùn)動學(xué)公式b研究電子的運(yùn)動可用牛頓定律和運(yùn)動學(xué)公式c研究電子運(yùn)動要用狹義相對論原理d研究鉛球和電子的運(yùn)動都要用牛頓運(yùn)動定律答案：ac解析：以牛頓運(yùn)動定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典物理學(xué)處理低速、宏觀物體的運(yùn)動是相當(dāng)完美的，但對于高速的微觀的運(yùn)動就無能為力了。顯然，鉛球的運(yùn)動可以用牛頓定律來解決，而電子的運(yùn)動則不能用牛頓定律來解決，而要用狹義相對論原理來解決。本題主要考查經(jīng)典物理學(xué)的適用范圍。9a、b兩架飛機(jī)沿地面上一足球場的長度方向在其上空高速飛過，且vavb，在飛機(jī)上的人觀察結(jié)果正確的是()aa飛機(jī)上的人觀察到足球場的長度比b飛機(jī)上的人觀察到的大ba飛機(jī)上的人觀察到足球場的寬度比b飛機(jī)上的人觀察到的小c兩飛機(jī)上的人觀察到足球場的長度相同d兩飛機(jī)上的人觀察到足球場的寬度相同答案：d作業(yè)：1.如圖15-1-2所示，在列車車廂的光滑水平面上有一個(gè)質(zhì)量為m=5 kg的小球，正隨車廂一起以20 m/s的速度勻速前進(jìn)。現(xiàn)在給小球一個(gè)水平向前的f=5 n的拉力作用，求經(jīng)10 s時(shí)，車廂里的觀察者和地面的觀察為看到小球的速度分別是多少？圖15-1-2解析：對車上的觀察者：物體的初速v0=0，加速度a=1 m/s2,10 s時(shí)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=1 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。答案：10 m/s 30 m/s2.一飛船以u=9103 m/s的速率相對于地面飛行，飛船上的鐘走了5 s，用地面上的鐘測量經(jīng)過了多長時(shí)間？解：此問題就是在不同參考系中測量時(shí)間的問題。u=9103 m/s,t=5 s