高中物理 第五章 经典力学的成就与局限性 2 了解相对论教案2 教科版必修2.doc

5.2 了解相对论教学过程：复习引入： 新课教学： 相对论时空观的教学可分三个层次：狭义相对论的提出、相对论时空观、相对论对人类认识世界的影响。 爱因斯坦为什么会提出狭义相对论的两条理论假设?这一问题既包含物理学发展过程中引起重大变革的实验发现，又蕴含了物理学家丰富的想像力、敏锐的洞察力以及富有探索性和创造性的思维特征。 本节开篇直接指出：光在空间是如何传播的?对这一问题的研究和思考引发了物理学的革命，改变了人们的时空观；目的是交代理论变革的线索，教学时应使学生对19世纪末物理实验与理论的矛盾有所了解，可参见课程资源以太危机、相对论“出世” 。 教学中应结合教材图使学生理解光的传播与经典力学的矛盾，使学生体会科学强调和尊重经验事实对理论的检验，实验验证是物理学的生命线。 学生对相对论时空观的理解会有一定难度，教学的重点应放在理解“同时的相对性” 。 在师生进行讨论与交流活动时，要注意提示学生在光速不变和运动的相对性两条原理下思考问题运动的相对性即某物对于一个惯性系来说是静止的，而对于另一个惯性系来说，却可能发生了运动，这是理解狭义相对论的前提，因为物质运动是在时间和空间中进行的，时间和空间是物质运动的形式；没有运动的相对性，就不会有时间和空间的相对性。 所谓两个事件是同时的，意思是说：两件事的空间位置可以不同，但发生的时间是一样的举一个例，每当广播电台在播送对钟信号的时候，在不同地点的许多人都要对一下自己的钟或表我们可以说，不同地点的人对钟动作是同时的仔细分析，这个说法并不严格因为电台发射的信号要经过一定的时间才能传到收音机那里距离越大，传播时间越长，不同地点收到信号的时间，实际上并不完全一样当然，由于电波速度很快，这种对钟方法产生的差别相当小，在日常生活中这种不严格性不会带来任何麻烦。 注意同时的相对性是针对发生在不同地点的事件而言的因为两个事件发生在不同地点、光信号的传递是两段不同的路程，这两个不同的过程才会相互比较因为是两个基本点不同的地点，才会有是否同时接受到光信号的问题如果两个事件发生在同一个地点(更准确地说是同一个点)，那这两个事件光信号的传递就是相同的过程在这种情况下，就不可能出现先后接收到光信号的问题，同时就是绝对的，与参考系的选择无关比如，在教材图的例子中，如果我们把车厢里的前后两个门安装在一起，两个门面相贴，就像一个门的正反两面那这两个门无论放在车厢内的什么位置，总是同时接到光信号，总是同时打开无论车厢里的观察者，还是站台上的观察者，他们看到的都是两个门同时打开。 视学生程度来把握对“同时的相对性”探讨的深度，可参见课程资源关于“同时”的概念及同时的相对性。 “运动的时钟变慢、运动的尺子缩短、物体质量随速度的增加而增大”这三种相对论效应利用教材插图进行解释。 (1)运动的时钟变慢，其实质是指在相对论中每位观察者都有自身的时间测度，即如果一时钟在天空高速飞驰，对静止不动的观察者来说似乎钟的时间走得慢了时钟飞驰得越快，钟的时间走得越慢；在与光速相等的时候，钟将似乎完全停止，时间就会停顿了这种效应得到了实验的验证f1971年，美国人把原子钟放到喷气式飞机上，当飞机绕地球飞行一周回到地面后，飞机上的原子钟与地面上的原子钟的读数出现了微小的差别，这个微小的差别主要是由相对论中的时钟变慢引起的1喷气式飞机的速度毕竟不是很快，跟光速相比则差距更大试想，若飞机的速度接近光速，那么时钟读数的差别将绝不会是微小的高能量基本粒子的运动速度很高，非常接近光速把测量到的静止介子的衰变寿命，同实验测量到的高速运动介子的衰变寿命比较，就会发现运动介子的寿命确实比静止介子的寿命长了很多。 (2)运动的尺子缩短在对教材图526解释时，应注意指出左图中a尺相对于b尺静止，右图中a尺相对于b尺运动，在b尺看来a尺长度缩短，尺缩和钟慢一样，是对称的即如果a、b之间有相对运动，那么，a看b的尺缩短了，b看a的尺缩短了这个结论表示空间的大小并不是绝对的，而是相对的。 即物体运动起来以后，运动的物体沿运动方向收缩，长度变短例如，一列以速度v匀速前进的火车，从站台一端到达另一端时，按车站钟表计需要时间t1，站台长为vt1；但是，按火车上乘客的手表计只需要时间t2，站台长为vt2由于运动的时钟变慢，即t2小于t1，故vt2小于vt1所以，乘客完全有理由得出这样的结论：站台缩短了实际上在车站上的人看来站台却并没有缩短，但他们也同样有理由说，火车缩短了。 这种现象绝不是一种光幻视，因为用任何测长仪器测量都会得出同样的结论我们在平时看不到这种收缩现象(只不过是由于在低速缓慢的运动中，这种现象不明显而已事实上，即使物体运动的速度达到每秒3万千米，长度的收缩也不过是千分之五十由此可见，时间、空间和运动的确是紧密联系的，时间和空间的这种性质就叫做时空的相对性。) (3)物体质量随速度的增加而增大爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学，指出质量随着速度的增加而增加，当速度接近光速时，质量趋于无穷大他给出了著名的质能关系式：e=mc。，质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用。 讨论与交流 此处的讨论与交流意在使学生认识相对论效应显著与否依赖于运动速度的快慢长度收缩和时间膨胀的效果只有当你以接近光速运动的时候才能注意到，当运动得非常慢(你可能认为你的车开得很快，每小时120千米，但这对于相对论来说，是极慢的)时，相对论效应极其微小，完全可以忽略不计。 狭义相对论时空观对人类认识自然和社会的影响是教学中要着重引导学生体会的，其意义与影响应包含以下内容： (1)相对论的创立对人们的思维方式产生了深刻的影响人们从中领悟：对同一个事物，不同的人从不同的角度来观察，观察的结果会有一定的差异所以我们不应当把自己的认识绝对化，尽管这种认识是合理的相对论时空观使我们摒弃了一些习以为常但却并不正确的成见，也是人类突破牛顿绝对时空观的束缚，走向现代物理学真理的一场伟大科学革命。 (2)相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念，揭示了空间时间的辩证关系以及物质同时空的关系，给出了科学而系统的时空观和物质观，加深了人们对物质和运动的认识，反映了自然科学的辩证唯物主义倾向，从而使物理学在逻辑上成为更完美的科学体系。 (3)没有相对论，现代物理学不可能存在狭义相对论在很大程度上解决了19世纪以来出现的古典物理学危机，推动了整个物理学理论的革命，并且为原子物理学的发展和应用提供了依据；可以说，相对论的建立是现代物理学最伟大的成就之一，对于现代物理学的发展和现代人类思想的发展都有巨大的影响。 (4)经典力学与绝对时空观可以很好的对付运动较慢的诸如苹果、行星的问越，但在处理以光速或接近光速运动的物体时却根本无效实际上，经典力学是相对论在低速条件下的近似可以让