2024-2025学年新教材高中物理第5章科学进步无止境第1节初识相对论教案1鲁科版必修第二册

PAGE1-初识相对论【教学目标】一、学问与技能1．初步了解狭义相对论的基本假设。2．相识时间和空间的相对性。3．了解狭义相对论的其他两个结论。二、过程与方法1．培育学生严密的逻辑思维习惯，激发学生进一步学习的愿望。2．学习正确的相识方法：实践是检验真理的唯一方法。三、情感、看法与价值观通过对本节学问的分析，培育学生的逻辑思维实力，激发学生探究科学的精神。【教学重点】狭义相对论的基本假设。【教学难点】1．狭义相对论的基本假设。2．能辨析清晰在哪些状况下考虑相对论效应，哪些状况下不必考虑。【教学过程】一、新课导入19世纪后半叶，关于电磁场的探讨不断深化，人们相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，因此在电磁场的探讨中不断遇到一些冲突，这些冲突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，而且变更了我们对于时间和空间的相识，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。二、新课教学（一）经典的相对性原理老师：生活中的相对性随处可见老师举例：物体甲以3m/s向右运动，物体乙以2m/s向右运动，实际我们选什么做参考系的？学生：地面。老师：分别选地面和甲做参考系说出乙的运动状况？学生：以地面为参考系，乙的速度大小为2m/s，方向向右，以甲为参考系，乙的速度大小为1m/s，方向向左。老师：由以上实例我们归纳出两点内容：（1）探讨物体的运动必需选参考系。（2）同一运动选不同参考系速度不肯定相同。老师：要探讨物体运到必需涉及到参考系概念，我们已经驾驭了惯性系概念。学生：牛顿运动定律成立的参考系，相对于一个惯性参考系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。老师：下面我们通过一段材料，在不同惯性系中探讨物体运动状况。老师组织学生分组探讨完成：问题1．两种不同的惯性参考系中视察到的各种现象有变更吗？所遵守的力学规律都相同吗？问题2．在一个惯性参考系内进行的任何力学试验能不能推断这个惯性系相对于另一个惯性参考系做匀速直线运动？老师提问：伽利略相对性原理有两种表述各是什么？学生回答：1．力学规律在任何惯性系中都是相同的。2．在一个惯性参考系内进行的任何力学试验都不能推断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动；或者说，任何惯性系都是平权的。（二）相对性原理与电磁规律老师：相对性原理简洁自然，取得了巨大的成就，而且与生活阅历一样。因此很长时间没有人怀疑，甚至思索过相对性原理。然而相对性原理在电磁学领域，探讨光速问题遇到了麻烦。老师问题：相对性原理和电磁理论的冲突是什么？学生回答：麦克斯韦的电磁理论光速恒定，并不涉及参考系问题，相对性原理得出光速并不是对任何惯性系都一样。老师提问：光相对参考系s和s’的速度分别多少？学生回答：光相对参考系s的速度是v，光相对参考系s’的速度是c-v。老师：光速相对不同惯性系并不肯定相同。老师通过课件演示，进一步深化经典相对性原理对光速问题说明。老师提问：麦克斯韦的电磁理论对光速问题的说明是什么？学生回答：麦克斯韦的电磁理论光速恒定，并不涉及参考系问题。老师设问：麦克斯韦的电磁理论真空中电磁波速是光速c是指在那个参考系中来说呢？有无这样的特别的参考系呢？试验过程及事实是怎样的呢？老师引出麦克尔逊—莫雷试验。老师介绍试验器材：光源、分光镜、反射镜M1、反射镜M2老师通过师生互动介绍试验背景和试验过程：19世纪流行着一种“以太”学说，物理学家们曾经猜想，有一种叫做以太的介质，充满在宇宙中，并把“以太”看作肯定惯性系，地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，相对以太速度也应当是每秒30公里，同时，它也必需对光的传播产生影响。假设以太相对太阳静止，仪器在试验坐标系中相对于以太以公转轨道速度v向右运动。由经典相对性原理光源发光经分光镜分成两束光，光束1自左向右的速度为c+v，光束1经反射镜M1反射速度为c-v，再经分光镜投射到观测屏。光束2自下向上与经反光镜M2反射自上向下的速度应当都为c2-v老师供应视频演示麦克尔逊—莫雷试验，并进一步介绍两束光在观测屏形成干涉条纹。通过分析干涉条纹，得出两个方向光速相同。试验结果：证明白光速与光源和测量者的相对运动无关，亦即与参照系无关。否定了以太的存在。学生探讨：当试验事实和现有理论出现冲突的时候物理学家有几种选择。一是修改现有理论以迎合新的客观事实；二是创新全新的理论。（三）狭义相对论的两个基本假设老师指导学生学习狭义相对论的两个基本假设。老师提问：狭义相对论的两个基本假设是什么？学生回答：1．相对性原理全部物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。2．光速不变原理在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c都一样（c=3×108m/s）。老师介绍：就现在看来如此简洁且最一般的两个假设的基础上爱因斯坦建立了一套完整的理论——狭义相对论。老师引导学生归纳并探讨：对狭义相对论两个基本原理的正确理解。①自然规律不仅包括力学规律，还包括电磁学规律等其他全部的物理学规律；②强调真空中的光速不变指大小既不依靠于光源或视察者的运动，也不依靠于光的传播方向。③几十年来科学家采纳各种先进的物理技术测量光速，结果都不违反光速不变原理。物理规律必需以事实为依据。老师问题：狭义相对论的两个基本假设，都有试验证明，为什么还要做假设？学生回答：有限的几个试验，不能做出概括性的结论，只有再从这两个假设动身，经过逻辑推理（包括数学推导）所得出的大量结论都与事实相符，那时它们才能成为真正意义上的原理。就类似于数学中科学归纳法。老师引导学生阅读：相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难被一般人所理解。人们都赞扬爱因斯坦宏大，但又经常弄不懂这宏大的内容。这使人们想起英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句：自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，上帝说：“让牛顿去吧，”于是一切都成为光明。后人续写道：上帝说完多少年之后，魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。老师向学生举荐相对论入门书目：《从零学相对论》梁灿斌《时间简史》斯蒂芬·霍金《狭义与广义相对论浅说》爱因斯坦三、课堂沟通探讨1．在封闭汽车的内部，请你设计一个力学试验，来推断汽车是加速还是匀速？这与狭义相对性原理冲突吗？2．教室日光灯同时向同方向放出两个光子，相对教室学生光子速度？一个光子相对另一光子速度？【练习巩固】1．有甲、乙两人，甲以2m/s的速度向东直线行走，乙以1.5m/s的速度向西直线行走，则甲相对于乙的速度大小为（）A．2m/sB．1.5m/sC．3.5m/sD．0.5m/s2．下列说法正确的是（）A．物理的基本规律在全部惯性系中都是等价的B．在真空中，光的速度与光的频率、光源的运动都无关C．在任何惯性系中，光在真空中沿随意方向的传播速度都相同D．以上说法均不正确3．一根沿自身长度方向运动的直杆，其长度比静止时（）A．长B．短C．相等D．不能确定4．一米长的标尺以相对论速度穿过一根几米长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的。则以下能最恰当地描述标尺穿过管子时的情形的是（）A．标尺收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住标尺B．标尺伸展变长，因此在某些位置上，标尺从管子的两端伸出来C．两者都收缩变短，且收缩量相等，因此在某个位置上，管子能恰好遮住标尺D．全部情形都与视察者的运动状态有关5．原长为15m的飞船以9km/s的速率相对地面匀速飞行时，从地面上测量，它的长度为多少？假设飞船以0.9c的速率飞行，则从地面上测量，它的长度又为多少？从中你可以得到什么结论？6．一固定长度为90m的飞船，沿船身方向