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2019-2020年高三物理 第二十三章 相對(duì)論簡(jiǎn)介 一、狹對(duì)相對(duì)論的基本假說(第一課時(shí)) ●本節(jié)教材分析 本節(jié)在介紹了經(jīng)典的相對(duì)性原理的基礎(chǔ)上，提出了光速不變與傳統(tǒng)觀念的矛盾，進(jìn)而引入了狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè).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(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)很難理解速度合成法則和同時(shí)性在高速狀態(tài)下是不成立的.教學(xué)中要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)物理知識(shí)正確與否的最終標(biāo)準(zhǔn).“事件”的概念是理解同時(shí)相對(duì)性的基礎(chǔ)，要著力討論清楚，關(guān)于事件發(fā)生先后的結(jié)論在后面的學(xué)習(xí)中經(jīng)常要用到，應(yīng)盡可能使學(xué)生記住，可通過一些實(shí)際問題的訓(xùn)練加深學(xué)生的理解. ●教學(xué)目標(biāo) 一、知識(shí)目標(biāo) 1理解經(jīng)典的相對(duì)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(duì)論的基本假設(shè)以及同時(shí)的相對(duì)性. 二、能力目標(biāo) 1通過學(xué)習(xí)，提高分析物理現(xiàn)象與定理定律矛盾的能力. 2培養(yǎng)嚴(yán)密的邏輯推理能力. 三、德育目標(biāo) 通過對(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. ●教學(xué)重點(diǎn) 兩個(gè)假設(shè)和同時(shí)的相對(duì)性. ●教學(xué)難點(diǎn) 光速不變?cè)砑巴瑫r(shí)的相對(duì)性. ●教學(xué)方法 通過在具體實(shí)例中提出問題、揭示矛盾、引發(fā)學(xué)生思考，然后通過相對(duì)論假設(shè)進(jìn)行邏輯推理，得出結(jié)論. ●教學(xué)用具 投影儀及投影片. ●課時(shí)安排 1課時(shí) ●教學(xué)過程 一、引入新課 復(fù)習(xí)慣性系和非慣性系 ［師］請(qǐng)同學(xué)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(yùn)動(dòng)定律能夠成立的參考系叫慣性系，勻速運(yùn)動(dòng)的汽車輪船等作為參考系就是慣性系.牛頓運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，房屋樹木應(yīng)該受到不為零的合外力作用，但事實(shí)上沒有，也就是牛頓運(yùn)動(dòng)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(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. 二、新課教學(xué) （一）經(jīng)典的相對(duì)性原理 ［師］下面我們來研究一個(gè)簡(jiǎn)單的力學(xué)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(gè)質(zhì)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(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者看到小球的速度分別是多少？ 圖23—1 學(xué)生分析：對(duì)車上的觀察者 物體初速度v0=0 加速度a==10 m/s2 10 s時(shí)速度v1=at=10 m/s 對(duì)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(gè)例子大家看到，在兩個(gè)慣性系中，雖然觀察到的結(jié)果并不相同，一個(gè)是10 m/s,另一個(gè)是30 m/s，但我們卻應(yīng)用了同樣的運(yùn)動(dòng)定律和速度合成法則，也就是說，我們相信：力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的.這就是伽利略相對(duì)性原理.在一個(gè)慣性參考系內(nèi)的任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都無法判斷這個(gè)參考系是否相對(duì)于另一個(gè)參考系做勻速運(yùn)動(dòng)或者說任何參考系都是平權(quán)的. (教師還可引導(dǎo)學(xué)生舉例說明相對(duì)性原理，并進(jìn)行討論） （二）光速引起的困難 ［師］請(qǐng)大家看課本圖23—1，考慮幾個(gè)問題： 1.參考系O′相對(duì)于參考系O靜止時(shí)，人看到的光速應(yīng)是多少？ 2參考系O′相對(duì)于參考系O以速度v向右運(yùn)動(dòng)，人看到的光速應(yīng)是多少？ 3參考系O′相對(duì)于參考系O以速度v向左運(yùn)動(dòng)，人看到的光速又是多少？ ［生］第一種情況人看到的光速應(yīng)是c，第二種情況應(yīng)是c+v，第三種情況應(yīng)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(rèn)為對(duì)嗎？ （學(xué)生一致認(rèn)為正確） ［師］如果這個(gè)法則有問題呢？ （學(xué)生沉默） ［師］實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn)，我們是不是可以通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)?zāi)兀炕卮鹗强隙ǖ?，這就是著名的麥克爾遜測(cè)定光速的實(shí)驗(yàn)，同學(xué)們應(yīng)該有印象. ［生］不論光源和觀察者怎樣運(yùn)動(dòng)，光速都是相同的. ［師］這與我們從速度合成法則推導(dǎo)的結(jié)論發(fā)生了矛盾.問題出在哪里呢？ （三）狹義相對(duì)論的兩個(gè)假設(shè) ［師］這一矛盾，不僅對(duì)我們的推理給予否定，還對(duì)麥克斯韋電磁場(chǎng)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(chǎng)理論.愛因斯坦選擇了后者，提出了兩條假設(shè)：（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(duì)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?cè)恚? ［生］為什么這兩個(gè)結(jié)論被稱為假設(shè)呢？ ［師］雖然這兩個(gè)假設(shè)可以由麥克爾遜實(shí)驗(yàn)直接推出，但這畢竟是有限的幾次實(shí)驗(yàn)，只有用這個(gè)假設(shè)得出大量的結(jié)論與事實(shí)相符時(shí)，它們才能成為真正意義上的原理，這才是科學(xué)的態(tài)度. (四）同時(shí)的相對(duì)性 ［師］首先我們來認(rèn)識(shí)一下“事件”的概念，在這里我們說的事件可以指一個(gè)嬰兒的誕生，一個(gè)光子與觀測(cè)儀器的撞擊或閃電打擊地面等等.請(qǐng)大家再舉幾個(gè)例子. ［生］光從光源發(fā)出，宇宙中某個(gè)星體的爆發(fā)，一個(gè)車輛的啟動(dòng)等都是“事件”. ［師］下面我們通過一個(gè)實(shí)例分析，來看看經(jīng)典物理和相對(duì)論對(duì)同時(shí)的理解有何不同. ［投影問題］ 車廂長(zhǎng)為L(zhǎng)，正以速度v勻速向右運(yùn)動(dòng)，車廂底面光滑，現(xiàn)有兩只完全相同的小球，從車廂中點(diǎn)以相同的速率v0分別向前后勻速運(yùn)動(dòng)，（相對(duì)于車廂），問（1）在車廂內(nèi)的觀察者看來，小球是否同時(shí)到達(dá)兩壁？（2）在地上的觀察者看來兩球是否同時(shí)到達(dá)兩壁？ 圖23—2 分析：在車上的觀察者看來， A球經(jīng)時(shí)間tA== B球經(jīng)時(shí)間tB== 因此兩球同時(shí)到達(dá)前后壁. 在經(jīng)典物理學(xué)家看來，同時(shí)發(fā)生的兩件事在任何參照系中觀察，結(jié)果都是同時(shí)的，兩球也應(yīng)同時(shí)到達(dá)前后壁.這是我們?cè)谌粘Ｉ钪械玫降慕Y(jié)論. ［師］如果把上述事件換成兩列光的傳播，情況如何呢？ （引導(dǎo)學(xué)生看圖23—2，從經(jīng)典觀點(diǎn)和光速不變?cè)韮煞矫娣治觯? ［生］在車上的觀察者看來，閃光同時(shí)到達(dá)前后壁，在地上的觀察者看來，閃光先到達(dá)后壁. ［師］為什么呢？ ［生］根據(jù)愛因斯坦相對(duì)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(yùn)動(dòng)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(duì)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(yùn)動(dòng)光需要較短時(shí)間到達(dá)后壁. ［師］分析得不錯(cuò)，由此看來，根據(jù)愛因斯坦相對(duì)性原理和光速不變?cè)恚覀冏匀粫?huì)得出“同時(shí)是相對(duì)的”這樣一個(gè)原理，也就是說，在一個(gè)參考系中看來“同時(shí)”的，在另一個(gè)參考系中卻可能“不同時(shí)”. ［師］那么為什么我們平時(shí)不能觀察這種現(xiàn)象呢？ ［生］因?yàn)榛疖囁俣认鄬?duì)于光速來說太小，在光傳播的短時(shí)間內(nèi)，火車位移不大，我們不能發(fā)現(xiàn)這么短的時(shí)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(shí)間觀動(dòng)搖了，相對(duì)論給我們展示了高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下全新的世界. 三、小結(jié) 本節(jié)課我們通過 復(fù)習(xí)慣性系概念，理解了經(jīng)典的相對(duì)性原理. 光速實(shí)驗(yàn)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(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)，理解了同時(shí)的相對(duì)性. 四、布置作業(yè) 練習(xí)一（1）、（2）、（3） 五、板書設(shè)計(jì) （一）經(jīng)典的相對(duì)性原理 慣性系：牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參考系. 相對(duì)性原理、力學(xué)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(duì)運(yùn)動(dòng)，光速都是不變的. (三)狹義相對(duì)論的兩個(gè)假設(shè) 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(shí)的相對(duì)性 在不同參考系中，同時(shí)是相對(duì)的. 六、本節(jié)優(yōu)化訓(xùn)練設(shè)計(jì) 1.下列說法正確的是 A.力學(xué)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(yùn)動(dòng)情況下，慣性系中的物理規(guī)律也不一定相同 D.牛頓運(yùn)動(dòng)定律在非慣性系中不變 2.設(shè)某人在以速度為0.5c的飛船上，打開一個(gè)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(jìn)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?cè)谌粘Ｉ钪袥]有人覺察到不同參考系中同時(shí)的相對(duì)性？ 參考答案：1.B 2.CD 3.略