鲁科版选修34 牛顿眼中的世界、爱因斯坦眼中的世界 第1课时 教案.docx

第1节牛顿眼中的世界第2节爱因斯坦眼中的世界学情分析：学生在此之前对经典物理的理论以及现象已具备一定的基础，这既是学习相对论的基本条件但同时又可能使学生产生思维定势；在指导学生学习这部分内容时，应在经典的时空观与事实发生的矛盾和相对论原理与日常经验的冲突两个方面展开充分讨论。教学目标：知识与技能：了解经典时空观的适用范围与局限性，经典时空观与实验事实的矛盾；过程与方法：从伽利略的相对性原理到牛顿的绝对时空观，再从迈克尔逊-莫雷实验到爱因斯坦提出狭义相对论的两个基本假说，让学生了解人类对时空问题的探索历程，对学生进行科学价值观和科学方法的教育。情感态度与价值观：了解爱因斯坦相对论的两条基本假设及构建新理论的思想方法，渗透科学方法教育。重点难点：1、了解经典物理时空观的局限性以及与相对论时空观的主要区别；2、经典力学速度叠加公式与光速的矛盾，迈克尔逊-莫雷实验的结果与经典时空观的矛盾。主要教学策略：本节课作为相对论的第一节内容，要为后面的学习做一个铺垫，开始的事例分析不宜太难，学生对相对论认识是一个逐步深入的过程。教学过程设计（一）引入新课教师：同学们，请回答一个问题“今天早上7点整你们在什么地方做什么事？” 学生甲：我刚出家门正要上学。学生乙：正在路上赶往学校。学生丙：我也刚出家门。教师：刚才的问题涉及两个虽基本但并不简单的概念。“早上7点整”表示时间坐标位置，“在家里”表示是空间坐标位置。可是究竟什么是时间，什么是空间，这是两个很难回答的问题；不同的时代不同的人有不同的看法，对时间和空间的看法称为时空观。就刚才甲、丙两位同学7点整走出家门这件事来说，通常情况下我们可以说他们是同时出发的，而对另一个观察者（如爱因斯坦）却说不一定同时，你们的看法呢？现在，我们就来一起来讨论“时空”这个问题。（二）新课教学第一个环节：经典物理学与相对论的一个最基本的区别就在于对时间与空间的认识，但日常生活中很难观察到相对论的效应，所以新课的引入应先从学生身边习以为常例子出发，从中找出经典物理与事实之间的矛盾。1.基本知识(1)经典力学的相对性原理通过任何力学实验，都不可能发现惯性系是处于绝对静止状态，还是做匀速直线运动也就是说，不可能通过力学实验测得惯性系的绝对速度这表明，力学规律在任何惯性系中都是相同的这个结论称为经典力学的相对性原理(2)绝对时空观在牛顿的世界里，力学规律之所以在任何惯性系中表达形式都相同，其根本原因是时间与空间不会随参考系不同而变化，也就是说时间和空间是绝对的，这就是绝对时空观绝对时间和绝对空间是经典物理学的支柱(3)寻找“以太”迈克尔孙实验19世纪的科学家认为，波是振动在介质中的传播，光速c是以太介质振动的传播速度“以太”是绝对静止的，可看成是绝对静止的参考系，光在“以太”中朝各个方向的传播速度皆为c物理学家们设计了多种检验以太存在的实验，其中最著名的是迈克尔孙莫雷实验2思考判断(1)牛顿定律在惯性系中都成立()(2)经典物理学认为，时间和空间是不能脱离物质而存在的()探究交流在经典力学中，如果某一惯性系相对另一惯性系的速度为v，在此惯性系中有一物体速度为c，那么，此物体相对另一惯性系的速度是cv吗？【提示】根据经典力学的速度叠加原理，答案是肯定的，但是这种答案被迈克尔孙莫雷实验否定了，迈克尔孙莫雷实验证明了光速是不变的，这和传统的速度合成法则是不同的1.基本知识(1)狭义相对论的两条基本原理狭义相对性原理：物理规律对于所有惯性系都具有相同的形式光速不变原理：在任何惯性系中，光在真空中的速度恒为c，与光源的运动和观测者的运动无关(2)狭义相对论中的时间与空间根据狭义相对论，“同时”不再具有绝对的意义，“同时”是相对的运动的时钟会变慢，这就是时间延缓效应根据狭义相对论，长度与观察者的运动状态有关，运动的物体在运动方向上发生了收缩，这就是长度缩短效应(3)相对论的速度叠加狭义相对论的速度叠加公式为u，由该公式可推知，光速在静止参考系和运动参考系中具有相同的数值在低速世界中，物体的运动可以用经典力学来描述，而在高速世界中，物体的运动必须用相对论来描述2思考判断(1)一切客观真实的物理规律在任何惯性系中的表述形式应该完全相同()(2)在不同的惯性系中，在不同的方向上，光的传播速度大小是不同的()(3)在高速世界中，运动的时钟会变慢，而在低速世界中这种效应可以忽略()3.图612探究交流在高速运动的火车上，对地面长度的测量和时间的计算与地面上的人一样吗？【提示】经典物理学认为，时间和空间是绝对的，是脱离物质而存在的，与物质的运动无关，因此无论是在高速运动的火车上还是在地面上测量的结果应是相同的但狭义相对论认为空间和时间与物质的运动状态有关，在高速运动的火车上(速度大小可与光速相比拟)，对地面长度的测量会比在地面上测的短一些，对时间的测量会比在地面上测的时间长一些【问题】1在经典的时空观和相对论的时空观中，“同时”的含义是否相同？2在经典的时空观和相对论的时空观中，某两个事件的“时间间隔”是否相同？3如何计算相对时间间隔？1如何理解“同时”的相对性(1)经典的时空观：在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察也是同时的(2)相对论的时空观：“同时”具有相对性，即在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察就不一定是同时发生的2如何理解时间间隔的相对性(1)经典的时空观：某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔总是相同的(2)相对论的时空观：某两个事件，在不同的惯性参考系中观察，它们的时间间隔是不同的，惯性系速度越大，惯性系中的时间过程进行得越慢惯性系中的一切物理、化学和生命过程都变慢了(3)相对时间间隔公式：设t表示静止的惯性系中观测的时间间隔，t表示以v高速运动的参考系中观察同样两事件的时间间隔，则它们的关系是t .介子是一种不稳定粒子，平均寿命是2.6108 s(在以自己为参考系中测得)如果此粒子相对于实验室以0.8c的速度运动，那么在实验室参考系中测量的介子寿命多长？介子在衰变前运动了多长距离？【审题指导】根据“时间延缓效应”公式t判断时间，再根据svt判断运动的距离【解析】介子在实验室参考系中测量的寿命为：t s4.3108 s.该粒子在衰变前运动的距离svt0.84.31083108 m10.32 m.【答案】4.3108 s10.32 m1远方的一颗星以0.8 c的速度离开地球，测得它辐射出来的闪光按5昼夜的周期变化，求在此星球上测其闪光周期为多大？【解析】因为t所以ttt5昼夜v0.8c所以t5昼夜3昼夜【答案】3昼夜如何理解长度的相对性【问题导思】1在经典的时空观和相对论的时空观中，一条杆的长度是否有变化？2如何计算杆的相对长度？1经典的时空观：经典物理学家认为，一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同2相对论的时空观：“长度”也具有相对性，一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度小但在垂直于运动方向上，杆的长度没有变化3相对长度公式：设相对杆静止的观察者认为杆的长度为l0，与杆有相对运动的人认为杆的长度为l，杆相对于观察者的速度为v，则l、l0、v的关系是ll0.有一太空船以0.8c的速度飞越“月球太空站”一科学家在月球上量得运动中的太空船长度为200 m，此太空船最后在月球上登陆，此科学家再度测量静止的太空船的长度，他测量的结果如何？【审题指导】根据“长度收缩效应”公式ll0进行判断【解析】在月球上测得运动的飞船的长度为l，静止飞船的长度为l0，依据狭义相对论的长度收缩效应关系式，有ll0 所以l0m333 m.【答案】333 m怎样应用长度收缩效应1因为11，所以总有ll0.即与杆相对运动的人观察到的杆长l1总小于与杆相对静止的人观察到的杆长l0.不同惯性系中的观测者对同一物体进行观测，测得的结果并不相同2虽然结果不同，物体本身并未收缩3在垂直于运动方向不发生收缩现象2一张宣传画是边长为5 m的正方形，一高速列车以2108 m/s的速度接近此宣传画，在司机看来，这张宣传画是什么样子？【解析】ll5 m3.7 m，在垂直运动方向上长度不变，所以看到的是一张3.75 m2的宣传画【答案】看到的是一张3.75 m2的宣传画如何理解速度变换公式【问题导思】1速度变换公式中的v、u、u分别指什么？2怎样求运动的物体相对地面的速度？相对论认为，如果一列沿平直轨道高速运行的火车对地面的速度为v，车上的人以速度u沿着火车前进的方向相对火车运动，那么这个人相对地面的速度为u1如果车上的人的运动方向与火车的运动方向相反，则u取负值2如果vc，uc，这时可忽略不计，这时相对论的速度合成公式可近似变为uuv.3如果u与v的方向相互垂直或成其他角度时，情况比较复杂，上式不适用设有一飞行器以v0.8c的速度在地球上空飞行，如果这时从飞行器上沿其前进方向发射一物体，设该物体相对于飞行器的速度u0.9c，问从地面上观察，该物体的速度多大？【解析】设地面参考系为s系，飞行器参考系为s系，由相对论速度叠加公式，从地面参考系s中观察到的物体的速度为u0.99c.【答案】0.99c3光子火箭船相对地面以v10.9c沿x方向飞行，光子炮弹相对于火箭船以速度v20.9c向前射出，求从地面观测到的光子炮弹的速度【解析】以地面为s系，以火箭为s系，则vv10.9c，uxv20.9 c，所以ux0.994c.【答案】0.994c1(多选)下面关于伽利略相对性原理的说法中正确的是()a力学规律在任何参考系中都是相同的b惯性系就是静止不动的参考系c如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系叫做惯性系相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系d力学规律在任何惯性系中都是相同的【解析】经典相对性原理是指力学规律在所有惯性参考系中都是成立的这里对参考系是有条件的，即必须是惯性参考系，非惯性参考系是不适合的而惯性参考系并不仅指静止的参考系，相对于一个惯性系做匀速运动的另一个参考系也是惯性系【答案】cd2下列关于狭义相对论原理的说法中正确的是()a狭义相对论原理是指力学规律在一切参考系中都成立b狭义相对论原理是指一切物理规律在一切参考系中都成立c狭义相对论原理是指一切物理规律在所有惯性参考系中都成立d狭义相对论原理与经典相对性原理没有区别【解析】根据狭义相对论原理的内容，在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的一定要注意它和经典相对性原理的区别，即狭义相对性原理中的“规律”是一切物理规律，而经典相对性原理中的“规律”只是指经典物理学的规律，范围比前者小许多【答案】c3(多选)用相对论的观点判断下列说法正确的是()a时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变b在地面上的人看来，以10 km/s的速度运动的飞船中的时钟会变快，但是飞船中的宇航员却看到时钟可能是准确的c在地面上的人看来，以10 km/s的速度运动的飞船在运动方向上会变窄，而飞船中的宇航员却感觉到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些d当物体运动的速度vc时，“时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽