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2019-2020年高三物理 第二十三章 相對論簡介 四、慣性力、慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量(第一課時) ●本節(jié)教材分析 本節(jié)介紹了慣性力的概念，并應(yīng)用它在非慣性系中解決力學問題.這一節(jié)內(nèi)容的引入是為廣義相對論做準備的，本身并不屬于相對論的內(nèi)容. 對于慣性力在非慣性系中應(yīng)用解題的教學可將高一時做過的力學問題變換參考系來重做，加深對慣性力概念和非慣性系的理解. 慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量是不同的兩個概念，前者是反映質(zhì)點保持原來狀態(tài)的能力，不涉及引力，后者則反映質(zhì)點吸引其他物體的能力并不涉及慣性，這一點應(yīng)講清楚. ●教學目標 一、知識目標 1理解慣性力的概念，會在非慣性系中用慣性力解決問題. 2理解慣性質(zhì)量和分力質(zhì)量不可區(qū)分. 二、能力目標 培養(yǎng)從不同側(cè)面、不同角度分析解決物理問題的能力. 三、德育目標 通過慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量的對比數(shù)學，激發(fā)學生的探索熱情. ●教學重點 慣性力及應(yīng)用. ●教學難點 慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量. ●教學方法 在具體事例中揭示矛盾，引入慣性力的概念，并在應(yīng)用中深化理解引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量主要通過對比發(fā)現(xiàn)它們的不同與聯(lián)系. ●教學用具 投影儀與投影片. ●課時安排 1課時 ●教學過程 一、引入新課 （投影圖23—5） 圖23—5 ［師］請大家看圖23—5，靜止車廂內(nèi)的桌面水平且光滑，小球靜止在桌面上，現(xiàn)車廂以加速度a向右加速運動，車廂內(nèi)的人觀察小球的運動情況如何？ ［生］小球向后運動. ［師］他是以什么做參考系的. ［生］車廂. ［師］他能用牛頓運動定律解釋看到的現(xiàn)象嗎？ ［生］不能，根據(jù)牛頓運動定律小球要由靜止向后運動必須受到向后的合外力，而這里桌面光滑，其他也沒有水平外力作用. ［師］顯然，這里牛頓定律不適用了，在這里的車廂參考系是什么參考系？ ［生］非慣性系. 二、新課教學 （一）非慣性系和慣性力 ［師］牛頓運動定律我們很熟悉，用來解決問題很方便，我們很想使它在非慣性系中也適用，因為非慣性系研究問題有時十分方便. 假如他看到小球受到一個向后的力作用，他就可以用牛頓定律解釋所見到的現(xiàn)象了.雖然這個力不存在，但我們可以引進這一假想的力，叫慣性力，大家能解釋他所看到的現(xiàn)象嗎？ ［生］能.他認為小球受到了一個向后的慣性力作用，開始加速運動. ［師］牛頓運動定律在這里怎么表達？ ［生］Fi=ma ［師］注意這里Fi的方向與非慣性系的加速度方向相反，我們表達為Fi=-ma. （二）慣性力應(yīng)用 ［投影問題1］ 圖23—6所示，升降機以加速度a勻加速上升，求其底板上質(zhì)量為m的物塊所受支持力.（以升降機為參考系） 圖23—6 ［師］在升降機中的觀察者看來，這是一個非慣性系，物體受力情況如何？ ［生］重力G和支持力FN. ［師］還有嗎？ ［生］慣性力FN，大小為ma，方向與a相反 （教師畫出受力） ［師］他認為物體處于什么狀態(tài) ［生］靜止 ［師］很好，大家很容易據(jù)平衡知識求出FN=Fi+G=ma+mg,物體表現(xiàn)超重. ［投影問題2］ 圖23—7，小車向左勻加速運動，車內(nèi)懸線與豎直方向成θ角，懸線下小球質(zhì)量為m，求小車加速度大小？ 圖23—7 ［師］請大家以小車為參考系來討論. （學生能分析出小球受力，包括慣性力，但仍有部分學生寫出以地面為參考系的方程，教師要引導學生搞清在小車這個非慣系中觀察，小球是平衡的） 分析：小球受力如圖. 因小球靜止：水平方向受力平衡Tsinθ-ma=0 豎直方向受力平衡Tcosθ-mg=0 消去T解得a=gtanθ這與在地面參考系求出結(jié)果一致 （教師應(yīng)根據(jù)學生掌握情況靈活安排一些問題討論，加深對慣性力概念及應(yīng)用的理解） （三）慣性力和引力 ［師］宇航員長期在空間站生活，失重會給他們帶來不利影響，大家來看一個裝置，（課本圖23—8）它可以產(chǎn)生一個“人造重力”，請大家分析一下這個“人造重力”是怎么產(chǎn)生的？ ［生］對空間站的宇航員來說，他以空間站為參考系，這一參考系在繞自己的圓心做圓周運動，有向心加速度，因此是一個非慣性系，宇航員要受一個慣性力，這就是“人造重力”. ［師］分析得很好，那么這個重力的大小和方向如何呢？ ［生］大小應(yīng)是ma，這里a是空間站圓周運動的向心加速度，方向應(yīng)與a方向相反，也就是背離圓心.所以他感受的“下方”就是這個方向，“上方”就是指向轉(zhuǎn)軸的方向. ［師］正如剛才大家看到的那樣，慣性力和引力的效果是同樣的，這一點還可以從課本圖23—9來理解.在甲、乙兩圖中物體產(chǎn)生加速度的力分別是什么力？ ［生］甲圖中是行星的引力，乙圖中是由于飛船參考系加速引起的慣性力，對于兩個參考系中的觀察者來說，它們是一樣的，都產(chǎn)生了g的加速度. （四）慣性質(zhì)量與分力質(zhì)量 ［師］大家知道物體重力G=mg，慣性力Fi=-ma,這兩種力都與物體的質(zhì)量成正比.但前者與引力相對應(yīng)，反映了物體吸引其他物體的能力，而后者是因為物體有慣性才產(chǎn)生的.我們把前者對應(yīng)的質(zhì)量叫引力質(zhì)量，后者對應(yīng)的質(zhì)量稱為慣性質(zhì)量. ［生］對同一物體來說，這兩種質(zhì)量的值一樣嗎？ ［師］從課本圖23—9的例子可以看出，這兩種質(zhì)量是不可分辨的.事實上現(xiàn)在我們還沒有發(fā)現(xiàn)它們的差別. ［師］物體在加速運動參考系中的行為與在引力作用下如此相似，二者之間或許有著某種深刻的聯(lián)系，這個問題同學們可以閱讀課文后的“閱讀材料”《廣義相對論》進一步了解. 三、小結(jié) 本節(jié)課我們通過 牛頓運動定律在非慣性系中不能成立這一矛盾，引入了慣性力的概念. 應(yīng)用慣性力解決力學問題，加深了對慣性力的理解. 引力作用與非慣性系中慣性力比較，介紹了引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量，進一步認識了非慣性系. 四、布置作業(yè) 1.練習四1、2、3 2.閱讀“閱讀材料”《廣義相對論簡介》. 五、板書設(shè)計 （一）慣性系和非慣性系牛頓運動定律在非慣性系中不能成立. （二）慣性力 大小Fi=ma 方向：與a相反 Fi=-ma 應(yīng)用：1.解釋超重現(xiàn)象例1 2.求解力學問題例2 （三）慣性力和引力 人造重力 效果相同 （四）慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量 概念 不可區(qū)別 六、本節(jié)優(yōu)化訓練設(shè)計 1.如圖23—8，小車以加速度a沿傾角為θ的斜面向下運動，擺錘相對于小車靜止時，懸線與豎直方向夾角是多少？（從非慣性系中求解） 圖23—8 2.如圖23—9所示，升降機以加速度a1勻加速上升，其中的人用力上提一個質(zhì)量為m的物體，他觀察到物體相對于車廂上升的加速度為a2，求他對物體m的拉力大小. 圖23—9 3.如圖23—10所示，水平圓盤繞其中心豎直軸做勻速轉(zhuǎn)動，盤面光滑，將一光滑小球放在盤面上，小球?qū)⑾鄬τ诘孛骒o止，對圓盤參考系，小球如何運動？解釋這一現(xiàn)象. 圖23—10 參考答案： 1. tan-1 2.m(g+a1+a2) 3.小球相對于圓盤做順時針勻速轉(zhuǎn)動，以圓盤做參考系時，小球?qū)⑹艿揭粋€與向心加速度方向相反的慣性力.