2024-2025學年新教材高中物理第5章科學進步無止境第1節(jié)初識相對論教案1魯科版必修第二冊

PAGE1-初識相對論【教學目標】一、學問與技能1．初步了解狹義相對論的基本假設。2．相識時間和空間的相對性。3．了解狹義相對論的其他兩個結論。二、過程與方法1．培育學生嚴密的邏輯思維習慣，激發(fā)學生進一步學習的愿望。2．學習正確的相識方法：實踐是檢驗真理的唯一方法。三、情感、看法與價值觀通過對本節(jié)學問的分析，培育學生的邏輯思維實力，激發(fā)學生探究科學的精神。【教學重點】狹義相對論的基本假設?！窘虒W難點】1．狹義相對論的基本假設。2．能辨析清晰在哪些狀況下考慮相對論效應，哪些狀況下不必考慮?！窘虒W過程】一、新課導入19世紀后半葉，關于電磁場的探討不斷深化，人們相識到了光的電磁本質。我們已經(jīng)知道，電磁波是以巨大且有限的速度傳播的，因此在電磁場的探討中不斷遇到一些沖突，這些沖突導致了相對論的出現(xiàn)。相對論不僅給出了物體在高速運動時所遵循的規(guī)律，而且變更了我們對于時間和空間的相識，它的建立在物理學和哲學的發(fā)展史上樹立了一座重要的里程碑。二、新課教學（一）經(jīng)典的相對性原理老師：生活中的相對性隨處可見老師舉例：物體甲以3m/s向右運動，物體乙以2m/s向右運動，實際我們選什么做參考系的？學生：地面。老師：分別選地面和甲做參考系說出乙的運動狀況？學生：以地面為參考系，乙的速度大小為2m/s，方向向右，以甲為參考系，乙的速度大小為1m/s，方向向左。老師：由以上實例我們歸納出兩點內(nèi)容：（1）探討物體的運動必需選參考系。（2）同一運動選不同參考系速度不肯定相同。老師：要探討物體運到必需涉及到參考系概念，我們已經(jīng)駕馭了慣性系概念。學生：牛頓運動定律成立的參考系，相對于一個慣性參考系做勻速直線運動的另一個參考系也是慣性系。老師：下面我們通過一段材料，在不同慣性系中探討物體運動狀況。老師組織學生分組探討完成：問題1．兩種不同的慣性參考系中視察到的各種現(xiàn)象有變更嗎？所遵守的力學規(guī)律都相同嗎？問題2．在一個慣性參考系內(nèi)進行的任何力學試驗能不能推斷這個慣性系相對于另一個慣性參考系做勻速直線運動？老師提問：伽利略相對性原理有兩種表述各是什么？學生回答：1．力學規(guī)律在任何慣性系中都是相同的。2．在一個慣性參考系內(nèi)進行的任何力學試驗都不能推斷這個慣性系是否相對于另一個慣性系做勻速直線運動；或者說，任何慣性系都是平權的。（二）相對性原理與電磁規(guī)律老師：相對性原理簡潔自然，取得了巨大的成就，而且與生活閱歷一樣。因此很長時間沒有人懷疑，甚至思索過相對性原理。然而相對性原理在電磁學領域，探討光速問題遇到了麻煩。老師問題：相對性原理和電磁理論的沖突是什么？學生回答：麥克斯韋的電磁理論光速恒定，并不涉及參考系問題，相對性原理得出光速并不是對任何慣性系都一樣。老師提問：光相對參考系s和s’的速度分別多少？學生回答：光相對參考系s的速度是v，光相對參考系s’的速度是c-v。老師：光速相對不同慣性系并不肯定相同。老師通過課件演示，進一步深化經(jīng)典相對性原理對光速問題說明。老師提問：麥克斯韋的電磁理論對光速問題的說明是什么？學生回答：麥克斯韋的電磁理論光速恒定，并不涉及參考系問題。老師設問：麥克斯韋的電磁理論真空中電磁波速是光速c是指在那個參考系中來說呢？有無這樣的特別的參考系呢？試驗過程及事實是怎樣的呢？老師引出麥克爾遜—莫雷試驗。老師介紹試驗器材：光源、分光鏡、反射鏡M1、反射鏡M2老師通過師生互動介紹試驗背景和試驗過程：19世紀流行著一種“以太”學說，物理學家們曾經(jīng)猜想，有一種叫做以太的介質，充滿在宇宙中，并把“以太”看作肯定慣性系，地球以每秒30公里的速度繞太陽運動，相對以太速度也應當是每秒30公里，同時，它也必需對光的傳播產(chǎn)生影響。假設以太相對太陽靜止，儀器在試驗坐標系中相對于以太以公轉軌道速度v向右運動。由經(jīng)典相對性原理光源發(fā)光經(jīng)分光鏡分成兩束光，光束1自左向右的速度為c+v，光束1經(jīng)反射鏡M1反射速度為c-v，再經(jīng)分光鏡投射到觀測屏。光束2自下向上與經(jīng)反光鏡M2反射自上向下的速度應當都為c2-v老師供應視頻演示麥克爾遜—莫雷試驗，并進一步介紹兩束光在觀測屏形成干涉條紋。通過分析干涉條紋，得出兩個方向光速相同。試驗結果：證明白光速與光源和測量者的相對運動無關，亦即與參照系無關。否定了以太的存在。學生探討：當試驗事實和現(xiàn)有理論出現(xiàn)沖突的時候物理學家有幾種選擇。一是修改現(xiàn)有理論以迎合新的客觀事實；二是創(chuàng)新全新的理論。（三）狹義相對論的兩個基本假設老師指導學生學習狹義相對論的兩個基本假設。老師提問：狹義相對論的兩個基本假設是什么？學生回答：1．相對性原理全部物理規(guī)律在一切慣性參考系中都具有相同的形式。2．光速不變原理在一切慣性參考系中，測量到的真空中的光速c都一樣（c=3×108m/s）。老師介紹：就現(xiàn)在看來如此簡潔且最一般的兩個假設的基礎上愛因斯坦建立了一套完整的理論——狹義相對論。老師引導學生歸納并探討：對狹義相對論兩個基本原理的正確理解。①自然規(guī)律不僅包括力學規(guī)律，還包括電磁學規(guī)律等其他全部的物理學規(guī)律；②強調(diào)真空中的光速不變指大小既不依靠于光源或視察者的運動，也不依靠于光的傳播方向。③幾十年來科學家采納各種先進的物理技術測量光速，結果都不違反光速不變原理。物理規(guī)律必需以事實為依據(jù)。老師問題：狹義相對論的兩個基本假設，都有試驗證明，為什么還要做假設？學生回答：有限的幾個試驗，不能做出概括性的結論，只有再從這兩個假設動身，經(jīng)過邏輯推理（包括數(shù)學推導）所得出的大量結論都與事實相符，那時它們才能成為真正意義上的原理。就類似于數(shù)學中科學歸納法。老師引導學生閱讀：相對論的時空觀念與人們固有的時空觀念差別很大，很難被一般人所理解。人們都贊揚愛因斯坦宏大，但又經(jīng)常弄不懂這宏大的內(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。老師向學生舉薦相對論入門書目：《從零學相對論》梁燦斌《時間簡史》斯蒂芬·霍金《狹義與廣義相對論淺說》愛因斯坦三、課堂溝通探討1．在封閉汽車的內(nèi)部，請你設計一個力學試驗，來推斷汽車是加速還是勻速？這與狹義相對性原理沖突嗎？2．教室日光燈同時向同方向放出兩個光子，相對教室學生光子速度？一個光子相對另一光子速度？【練習鞏固】1．有甲、乙兩人，甲以2m/s的速度向東直線行走，乙以1.5m/s的速度向西直線行走，則甲相對于乙的速度大小為（）A．2m/sB．1.5m/sC．3.5m/sD．0.5m/s2．下列說法正確的是（）A．物理的基本規(guī)律在全部慣性系中都是等價的B．在真空中，光的速度與光的頻率、光源的運動都無關C．在任何慣性系中，光在真空中沿隨意方向的傳播速度都相同D．以上說法均不正確3．一根沿自身長度方向運動的直桿，其長度比靜止時（）A．長B．短C．相等D．不能確定4．一米長的標尺以相對論速度穿過一根幾米長的管子，它們的長度都是在靜止狀態(tài)下測量的。則以下能最恰當?shù)孛枋鰳顺叽┻^管子時的情形的是（）A．標尺收縮變短，因此在某些位置上，管子能完全遮住標尺B．標尺伸展變長，因此在某些位置上，標尺從管子的兩端伸出來C．兩者都收縮變短，且收縮量相等，因此在某個位置上，管子能恰好遮住標尺D．全部情形都與視察者的運動狀態(tài)有關5．原長為15m的飛船以9km/s的速率相對地面勻速飛行時，從地面上測量，它的長度為多少？假設飛船以0.9c的速率飛行，則從地面上測量，它的長度又為多少？從中你可以得到什么結論？6．一固定長度為90m的飛船，沿船身方向