沪科版必修二 爱因斯坦心目中的宇宙 第1课时 教案.doc

6.3 爱因斯坦心目中的宇宙教学重点1.知道时间间隔的相对性；2.知道长度的相对性；3.知道狭义相对论的两个结论；教学难点能辨析清楚在哪些情况下考虑相对论效应，哪些情况下不必考虑.教具准备投影仪及投影片.课时安排1课时三维目标一、知识与技能1.认识时间和空间的相对性；2.了解狭义相对论的其他两个结论；二、过程与方法1.培养学生严密的逻辑思维习惯，激发学生进一步学习的愿望.2.学习正确的认识方法：实践是检验真理的唯一方法.三、情感态度与价值观通过对本节知识的分析，培养学生的逻辑思维能力，激发学生探索科学的精神.教学过程导入新课19世纪后半叶，关于电磁场的研究不断深入，人们认识到了光的电磁本质.我们已经知道，电磁波是以巨大且有限的速度传播的，因此在电磁场的研究中不断遇到一些矛盾，这些矛盾导致了相对论的出现.相对论不仅给出了物体在高速运动时所遵循的规律，而且改变了我们对于时间和空间的认识，它的建立在物理学和哲学的发展史上树立了一座重要的里程碑.推进新课一、爱因斯坦的时空观1.“同时”的相对性爱因斯坦列车在列车（s系）中部一光源发出光信号，在列车中 a、b 两个接收器同时收到光信号。但在地面（s系）来看，由于光速不变，a 先收到，b 后收到 。由于光速不变，在一个惯性系中同时不同地点发生的两个事件，在另一个惯性系中不再是同时发生的了。例1如图，沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔a、b和c，假想有一列车沿ac方向以接近光速行驶，当铁塔b发出一个闪光，列车上的观测者测得a、c两铁塔被照亮的顺序是()a同时被照亮 ba先被照亮cc先被照亮 d无法判断解析：本题考查同时的相对性，车上的观测者认为b塔发出的光对于自己的传播速度是相同的，而相对观测者c塔靠近，a塔远离，因此相对观测者光向c传播的路程小于向a传播的路程，所以c先被照亮，c正确2时空的相对性(1)时间和空间是不能绝对定义的，它们与物体的运动速度有关(2)根据光速不变原理和时空的性质，可导出如下关系式： 其中，x、x位置；t、t时间；v速度；二、两个奇特的效应 1.长度收缩效应长度收缩有时被称作洛伦茨（lorentz）或洛伦茨弗里茨格拉德收缩.在爱因斯坦之前,洛伦茨和弗里茨格拉德就求出了用来描述（长度）收缩的数学公式.但爱因斯坦意识到了它的重大意义并将其植入完整的相对论中.这个原理是：参照系中运动物体的长度比其静止时的长度要短.下面用图形说明以便于理解：这是一个静止的尺子这是同一个尺子，快速地从左向右移动上面图形是尺子在参照系中处于静止状态.一个静止物体在其参照系中的长度被称作他的“正确长度”.下部图中尺子在运动.用更准确的话来讲：我们相对于某参照系，发现它（尺子）在运动.长度收缩原理指出在此参照系中运动的尺子要短一些.【合作探究】学生自主推导此式子这种收缩并非幻觉.当尺子从我们身边经过时，任何精确的试验都表明其长度比静止时要短.尺子并非看上去短了，它的确短了！然而，它只在其运动方向上收缩.下部图中尺子是水平运动的，因此它的水平方向变短.你可能已经注意到，两图中垂直方向的长度是一样的.小结：我们平时是观察不到这种效应的.是因为我们生活在比光速低很多的低速世界里，这种现象是极不明显的.2.时间延缓效应所谓的时间延缓效应与长度收缩效应很相似，它是这样进行的.某一参照系中的两个事件，它们发生在不同地点时的时间间隔，总比同样两个事件发生在相同地点的时间间隔长.多媒体课件展示：图中两个闹钟都可以用于测量第一个闹钟从a点运动到b点所花费的时间.然而两个闹钟给出的结果并不相同.我们可以这样思考：我们所提到的两个事件分别是“闹钟离开a点”和“闹钟到达b点”.在我们的参照系中，这两个事件在不同的地点发生（a和b）.然而，让我们以上半图中闹钟自身的参照系观察这件事情.从这个角度看，上半图中的闹钟是静止的（所有的物体相对于其自身都是静止的），而刻有a和b点的线条从右向左移动.因此“离开a点”和“到达b点”这两件事情都发生在同一地点！（上半图中闹钟所测量的时间称为“正确时间”）按照前面提到的观点，下半图中闹钟所记录的时间将比上半图中闹钟从a到b所记录的时间更长. 方法引导下面我们再通过一个实例来分析计算一下这个问题： 点拨：此问题可由学生根据图示自己去求解，充分调动起学生的主动性.【教师精讲】此原理的一个较为简单但不太精确的陈述是：运动的钟比静止的钟走得更慢.最著名的关于时间延缓的假说通常被称为双生子佯谬.假设有一对双胞胎哈瑞和玛丽，玛丽登上一艘快速飞离地球的飞船（为了使效果明显，飞船必须以接近光速运动），并且很快就返回来.我们可以将两个人的身体视为一架用年龄计算时间流逝的钟.因为玛丽运动得很快，因此她的“钟”比哈瑞的“钟”走得慢.结果是，当玛丽返回地球的时候，她将比哈瑞更年轻.年轻多少要看她以多快的速度走了多远. 【知识拓展】时间延缓效应并非是个疯狂的想法，它已经为实验所证实.最好的例子涉及到一种称为“介子”的亚原子粒子.一个介子衰变需要多长时间已经被非常精确地测量过.现已经观测到一个以接近光速运动的介子比一个静止或缓慢运动的介子的寿命要长，这就是相对论效应.从运动的介子自身来看，它并没有存在更长的时间.这是因为从它自身的角度看它是静止的；只有从相对于实验室的角度看该介子，我们才会发现其寿命被“延长”或“缩短”了.【合作探究】先来解决一道我们熟悉的力学问题.质量为m=0.5 kg的小球，在f=100 n的合力作用下由静止开始加速，求经过2106 s，它的速度变为多少？解析：学生很容易算出a200 m/s2，再由vat求得它的速度为4108 m/s.大家觉得这个结果可能吗？是不可能的，因为物体的速度不能超过光速.问题出在哪里呢？【教师精讲】三、爱因斯坦的质速公式物体质量m随速度v的增加而增大，其关系为：，m0为静止时的质量，称为静止质量.【例题剖析】 当电子的速度为0.98c时，由公式测得电子的质量为m5m0.四、质能关系在经典物理学中，质量和能量是两个独立的概念.按照相对论及基本力学定律可推出质量和能量具有如下关系：质能关系e=mc2，这就是著名的质能关系式.可见，质量和能量是物质不可