教学设计完整版：爱因斯坦心目中的宇宙

爱因斯坦心目中的宇宙教学设计【教学目的】知识与技能：1.通过对同时的相对性实验的研究使学生进一步理解同时的相对性与光速不变原理之间的关系，认识到时间不能绝对定义而与物体的运动速度有关，认识到经典的绝对时空观存在着缺陷。2.能根据爱因斯坦的时空观得到长度收缩效应和时间延缓效应，这两个重要的结论，使学生进一步认识到牛顿的经典时空观只是爱因斯坦相对论的时空观在低速情形下的近似。3.使学生了解物体的质量也与物体的速度有关，介绍并解释爱因斯坦的质能关系E=mc2。过程与方法：从发现问题→研究问题→提出假设→理论研究→实验验证的物理研究方法。情感态度与价值观：通过对具体问题的研究使学生认识到相对论思想的重要意义，同时也应该使学生知道在物体的速度不太高的情况下，经典力学的规律仍然是解决实际问题的基本理论。【教学重点】1.知道同时的相对性和时空的相对性。2.了解两个奇特的效应——尺缩效应和钟慢效应。3.掌握爱因斯坦的质速公式和质能关系公式。【教学过程】：课堂引入：师：爱因斯坦认为,时间与空间是不可分的,时空与物质也是不可分的。那么,爱因斯坦是怎样分析时间的呢?为什么说时间不能绝对定义?时间空间与物质运动的速度之间有什么关系？师生一起讨论。课堂教学：爱因斯坦的时空观[问题设计]师：一列火车在做匀速直线运动，在某车厢中央的一个人点燃一支蜡烛．他看到车厢前后两壁是否同时被照亮，地面上的人看到的情况呢？但有了光速不变原理时，情况就不一样了，当火车速度较大时，地面上的人将认为光先到达哪个壁？教师分析：车厢内的人和地面上的人都看到前后壁同时被照亮。当火车速度较大时，地面上的人认为光先到达后壁。[要点提炼]1．同时的相对性在经典物理学中，如果两个事件在一个参考系中认为是同时的，则在另一个参考系中一定也是同时的，而根据爱因斯坦的两条基本公设，同时是相对的．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：x＝eq\f(x′＋vt′,\r(1－\f(v2,c2)))，t＝eq\f(t′＋\f(v,c2)x′,\r(1－\f(v2,c2)))其中，x、x′——位置；t、t′——时间；v——速度；c——光速。两个奇特的效应教师结合教材图6-8、图6-9、图6-10进行分析。1．长度收缩效应(尺缩效应)相对于地面以一定速度运动的物体，从地面上看，沿着运动方向上放置的棒，长度变短了，速度越大，变短得越多。尺缩效应也是一种相对效应。静止参考系中沿运动方向放置的棒，在运动的参考系中测量，其长度也要收缩。2．时间延缓效应(钟慢效应)在一个相对我们做高速运动的惯性系中发生的物理过程，在我们看来，它所经历的时间比在这个惯性系中直接观察到的时间长。惯性系的速度越大，我们观察到的过程经历的时间越长。钟慢效应也是相对的。比如我们在地面上认为飞船上的时间进程变长，而飞船上的观察者认为地面上的时间进程也变长。三、爱因斯坦的质速公式质能关系1．质速公式在相对物体静止的参考系中测量，物体具有最小的质量m0(称为静止质量)。在相对物体以速度v运动的惯性系中测量，物体的运动质量为m＝eq\f(m0,\r(1－\f(v,c)2))由于v<c，所以m>m0，速度v越大，运动质量也越大。2．质能关系任何质量m都对应着一定的能量mc2，其关系式为E＝mc2。质能关系公式也可写成ΔE＝Δmc2，由公式可以看出，随着一个物体质量的减少，会释放出一定的能量；与此同时，另一物体吸收了能量，质量也会随之增加。典型例题：例1如右图所示，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 B．A先被照亮C．C先被照亮 D．无法判断教师解析：本题考查了同时的相对性，列车上的观测者认为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，选项C正确。例2惯性系S中有一边长为l的正方形(如图所示)。从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得此正方形的图形是()教师解析根据相对性原理，当正方形沿x方向以接近光速匀速飞行时，在运动方向上会出现尺缩效应，而在垂直于运动方向上则不会出现尺缩效应，故选项C正确。例3一个静止质量m0＝1kg的物体，与地球一起绕太阳公转的速度为30m/s，在相应的惯性参考系中，观测者测得该物体的质量为多少？解析由爱