人教版选修34 相对论的诞生 第1课时 教案.doc

课 题151 相对论的诞生课 时总第 课时三 维目 标知识与技能（1）了解相对论诞生的历史背景，知道麦克耳孙一莫雷实验（2）了解经典的相对性原理（3）知道相对性原理与电磁规律之间的矛盾（4）知道狭义相对论的两个基本假设过程与方法（1）了解对经典物理学内部矛盾的探索过程（2）理解爱因斯坦建立相对论的科学探究思想和逻辑推理方法情感态度与价值观（1）明确物理理论的发展的基础实验教 学 重 点狭义相对论的两点假设教 学 难 点狭义相对论的两点假设教 学 过 程 设 计（教 法、学 法、课 练、作 业）个 人 主 页介绍相对论诞生的历史背景以太的研究（鲁科版较详细）以太透明；以太的密度很小（光速很大）；以太很硬（电磁波为横波）；以太无所不在，充满整个空间。 光速的测量斐索光速测定迈克尔逊-莫雷实验 实验意义：以太不存在；暗示真空中光速在任何参考系都不变；复习光的干涉现象一、经典的相对性原理运动的相对性中国古代研究：尚书纬考灵曜（约东汉时代）“地有四游，冬至地上行北而西三万里，夏至地下行南而东三万里，春秋两分是其中矣。地恒动而人不知，譬如闭舟而行不觉舟之运也。” 伽里略相对性原理关于两种世界体系的对话：“把你和朋友关在一条大船下的主舱里，让你们带着几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫，舱内放一只大水碗，其中有几条鱼，然后挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐里，船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向舱内各方向飞行；鱼向各个方向随便游动；水滴滴进下面的罐中，你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不必比另一方向施更多的力。当船以任何速度前进，只要是匀速的，你将发现，上述观察的现象依旧，你无法用任何现象判定船是运动还是不动” 伽里略坐标变换公式 伽里略速度变换公式 牛顿力学的不变性m=mfffma fma 力学规律在任何惯性参考系中都是相同的。还可以表述为：在任何惯性参考系中无法用任何力学实验判断该参考系相当于另一个参考系是静止的还是做匀速直线运动，即任何惯性参考系都是平权的。二、相对性原理与电磁规律之间的矛盾麦克斯韦电磁理论的困难：光是电磁波；由于真空介电常数和磁导率是与参考系无关的常量，因此c也应是与参考系无关。这就是说在任何参考系中测得的光在真空中的速度都应该是同一数值。但是，根据相对性原理，若以c表示某一参考系k中测得的真空中光的速度，c为以u运动的k系中测得的光在真空中的速度，根据伽利略变换，就应有： c= cu矛盾激发：“在不同的惯性系中光速不同”“任何参考系中光速度都应该是同一数值”，说明相对性原理涉及到接近光速的高速领域产生了明显的困难。当时人们为了解决这个困难，提出了三种可能：（1）麦克斯韦电磁理论有错，正确的电磁方程组应满足伽利略不变性。（2）牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对，但麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立。（3）牛顿力学与伽利略变换不对，应存在某种变换，麦克斯韦电磁理论在这种新的变换下具有不变性。这意味着经典牛顿力学要作修改，修改后的力学方程在新的变换下具有不变性。三、狭义相对论的两个基本假设狭义相对论的两个基本原理：爱因斯坦相对性原理切物理定律，在不同的惯性系中是相同的 光速不变原理光在真空中的传播速度在不同的惯性系中测得的数值都是相同的，与光源、观察者是否相对运动无关对2个基本原理的正确理解： 自然规律不仅包括力学规律，还包括电磁学规律等其他所有的物理学规律；强调真空中的光速光速不变指大小既不依赖于光源或观察者的运动，也不依赖于光的传播方向 几十年来科学家采用各种先进的物理技术测量光速，结果都不违背光速不变原理。课堂练习：1.a、b两架飞机沿地面上一足球场的长度方向在其上空高速飞过,且vavb,在飞机上的人观察结果正确的是()a.a飞机上的人观察到足球场的长度比b飞机上的人观察到的大b.a飞机上的人观察到足球场的宽度比b飞机上的人观察到的小c.两飞机上的人观察到足球场的长度相同d.两飞机上的人观察到足球场的宽度相同解析:因为当一个惯性系的速度比较大时,根据l=l0知,足球场的长度沿飞行方向减小,而且速度越大,长度越小,故a、c均错误;而垂直于运动方向上,宽度是不随速度而变化的,因此b错误,d正确。答案:d2.下列说法中正确的是()a.相对性原理能简单而自然地解释电磁学的问题b.在真空中,若物体以速度v背离光源运动,则光相对物体的速度为c-vc.在真空中,若光源向着观察者以速度v运动,则光相对于观察者的速度为c+vd.迈克耳孙莫雷实验得出的结果是:不论光源与观察者做怎样的相对运动,光速都是一样的解析:相对性原理简单而自然,但在电磁学的领域里,涉及相对哪个参考系才成立的问题,故选项a错误;根据狭义相对论的光速不变原理知,选项b、c错误,d正确。答案:d3关于狭义相对论的两个假设，下列说法正确的是()a在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的b在不同的惯性参考系中，力学规律都一样，电磁规律不一样c真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的d真空中的光速在不同的惯性参考系中是有差别的答案：ac4如图所示，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无法判断答案：c解析：当铁塔b发出一个闪光，同时到达a、c两铁塔被反射，但列车沿ac方向以接近光速行驶，经铁塔a反射的光相对列车的速度远小于经铁塔c反射的光相对列车的速度，经铁塔c反射的光先到达观测者，看到c先被照亮，c正确。5通常我们把地球和相对地面静止或匀速运动的物体参考系看成是惯性系，若以下列系统为参考系，则属于非惯性系的有()a停在地面上的汽车b绕地球做匀速圆周运动的飞船c在大海上匀速直线航行的轮船d进站时减速行驶的火车答案：bd点拨：绕地球做匀速圆周运动的飞船相对地面有向心加速度。进站时减速行驶的火车相对于地面也有加速度。6.在一个惯性系中观测，两个事件同地不同时，则在其他惯性系中观测，结果它们( )a.一定同时 b.可能同时c.不可能同时，但可能同地 d.不可能同时，也不可能同地答案：b7.某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行，如果希望把这路程缩短为3光年，则他所乘飞船相对地球的速度为( )a.0.5c b.0.6c c.0.8c d.0.9c解析：由公式： 得v=0.8 c。答案：c8.下列关于光速的说法正确的是()a.光速是速度的极限值b.在不同的惯性参考系中,光速是相同的c.在与光同向运动的惯性参考系中光速变小d.在与光反向运动的惯性参考系中光速变大解析：光速极限是从相对论中得到的结论,但狭义相对论也是两个假设,还没证明,但目前很准确,所以我们认为它是对的。答案：ab9.关于经典力学的时空观与相对论的时空观,下列说法正确的是()a.在经典力学的时空观中,同时是绝对的,即在一个参考系中的观察者在某一时刻观察到的两个事件,对另一个参考系中的观察者来说也是同时的b.在相对论的时空观中,时间间隔是绝对的,即任何事件(或物体运动)所经历的时间,在不同的参考系中测量都是相同的,而与参考系的选取无关c.在经典力学的时空观中,空间距离是绝对的,即如果各个参考系中用来测量长度的标准相同,那么空间两点的距离是绝对不变的量值,而与参考系的选取无关d.相对论的时空观就是一个绝对的时空观,时间与空间物体的运动无关解析：在经典力学的时空观中,同时是绝对的,选项a对;在相对论的时空观中,时间间隔是相对的,选项b错误;在经典力学的时空观中,空间距离是绝对的,选项c对;相对论的时空观是一个相对的时空观,选项d错误。答案：ac10.假设你正坐在一列火车中,下列判断正确的是()a.可以通过力学实验来判断火车是静止还是做匀速直线运动b.无法通过力学实验来判断火车是静止还是做匀速直线运动c.可以通过力学实验来判断火车是做匀速直线运动还是加速直线运动d.无法通过力学实验来判断火车是做匀速直线运动还是加速直线运动答案：bc11.如图所示,强强乘速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮,壮壮的飞行速度为0.5c,强强向壮壮发出一束光进行联络,则壮壮观测到该光束的传播速度为()a.0.4cb.0.5cc.0.9cd.1.0c解析：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。答案：d12.人马星座a星是离太阳系最近的恒星，它距地球4.31016m。设有一宇宙飞船自地球往返于人马星座a星之间。若宇宙飞船的速度为0.999c，按地球上的时钟计算，飞船往返一次需多少时间？如以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为多少？解析：以地球上的时钟计算：=2.87108 s=9年；若以飞船上的时钟计算：因为t=t/,所以得t=t=2.87108=1.28107 s=0.4年答案：t=9年，t=0.4年作业：1.长度测量与被测物体相对于观察者的运动有关，物体在运动方向长度缩短了。一艘宇宙飞船的船身长度为l0=90 m，相对地面以u=0.8c的速度在一观测站的上空飞过。(1)观测站测得飞船的船身通过观测站的时间间隔是多少？(2)宇航员测得船身通过观测站的时间间隔是多少？解析：(1)观测站测得船身的长度为m=54 m,通过观测站的时间间隔为t=2.2510-7 s。(2)宇航员测得飞船船身通过观测站的时间间隔为t=3.7510-7 s。答案：(1)2.2510-7 s,(2)3.7510-7 s2.一飞船以u=9103 m/s的速率相对于地面飞行，飞船上的钟走了5 s，用地面上的钟测量经过了多长时间？解：此问题就是在不同参考系中测量时间的问题。u=9103 m/s,t=5 s。t=5.000 000 002 s。答案：经过了5.000 000 002 s3一观察者测得运动着的米尺为0.5 m长，求此米尺以多大的速度移动。答案：2.60108 m/s解析：以观察者为一参考系测得的长度为l，米尺为另一参考系，测得米尺的长度为l，根据公式，可得：c3.0108 m/s，l1 m，l0.5 m所以：v0.866c2.60108 m/s。4(1)以8103 m/s的速度运行的人造卫星上一只完好的手表走过1 min，地面上的人认为它走过这1 min“实际”上花去的时间是多少？(2)若卫星以0.9c(c为真空中的光速)的速度在太空中飞行，其中一只完好的手表走过了1 min，地面上的人认为它走过这1 min“实际”上花去的时间为多少？(3)若卫星