高中物理 第6章 相對論與天體物理 6.2 愛因斯坦眼中的世界教學設計 魯科版選修34

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1、 6.2 愛因斯坦眼中的世界 教學目標 1. 了解經(jīng)典的相對性原理． 2. 知道狹義相對論的兩個基本假設． 3. 了解對經(jīng)典物理學內部矛盾的探索過程，理解愛因斯坦建立相對論的科學探究思想和邏輯推理方法． 重點難點 重點：狹義相對論的兩個基本假設 難點：牛頓力學中運動的相對性 設計思想 通過本節(jié)教學應使學生了解，牛頓力學和相對論建立之前的整個經(jīng)典物理學都是建立在絕對時空概念的基礎上，在人類活動的低速運行“正?！狈秶鷥仁欠浅蚀_的。在該概念下，經(jīng)典力學定律、伽利略變換和力學相對性原理三者是自洽的、和諧一致的。但是在這個范圍以外，牛頓物理學的結論就與觀測結果不一致，它揭示

2、了經(jīng)典物理內在的某些基本矛盾。自然界不存在特殊的慣性系，不僅力學規(guī)律，而且其他規(guī)律，包括電磁規(guī)律，在不同慣性系中都具有相同形式，并通過光束不變原理，構建嶄新的時空觀，為后面的學習打下基礎。 教學資源 多媒體課件 教學設計 【課堂學習】 學習活動一：伽利略相對性原理 對力學規(guī)律而言，所有的慣性系都是等價的或在一個慣性系中，所作的任何理學實驗都不能夠確定這一慣性系本身是靜止狀態(tài)，還是勻速直線運動。 力學中不存在絕對靜止的概念，不存在一個絕對靜止優(yōu)越的慣性系。 1．在任何慣性參考系中，力學的規(guī)律都是一樣的，都可以用牛頓定律來描述。 2．地面參考系或相對于它做勻速直線運動的的參考系都

3、可當作慣性系。 學習活動二：經(jīng)典時空觀 設當O與O′重合時t=t′=0作為記時的起點， 同一事件：K系中（x，y，z，t） K′系中（x′，y′，z′，t′） 新華 按經(jīng)典觀念： 或 所謂絕對時空： 1．時間：時間間隔的絕對性與同時的絕對性，即，。時間是與參照系無關的不變量。 2．空間：若有一把尺子，兩端坐標分別為 K中：P1（x1，y1，z1，t1），P2（x2，y2，z2，t2） K′中：P1′（x1′，y1′，z1′，t′）P2′（x2′，y2′，z2′，t′） 有 由得，即：長度（空間間隔）是與參照系無關的不變量或長

4、度（空間間隔）的絕對性。 即 且認為 因此：在中，有，得中 由牛頓的絕對時空以及“絕對質量”的概念，得到牛頓相對性原理。 總結：牛頓定律在所有慣性系都具有相同的表述形式，即牛頓定律在伽利略變換下是協(xié)變的，牛頓力學符合力學相對性原理。 學習活動三：伽利略速度變換 問題1：小麗相對于車廂以速率v向前跑時，她對地面的速率是多少？ 問題2：小麗相對于車廂以速率v向后跑時，她對地面的速率是多少？ 小結：速率從一個參考系變換到另一個參考系的關系式稱為伽利略速度變換公式。 學習活動四：愛因斯坦相對性原理 相對性原理與電磁規(guī)律之間的矛盾： 麥克斯韋電磁理論的困難：光是電

5、磁波；由于真空介電常數(shù)和磁導率是與參考系無關的常量，因此c也應是與參考系無關。這就是說在任何參考系中測得的光在真空中的速度都應該是同一數(shù)值。但是，根據(jù)相對性原理，若以c表示某一參考系K中測得的真空中光的速度，c′為以u運動的K′系中測得的光在真空中的速度，根據(jù)伽利略變換，就應有： c′= c—u 矛盾激發(fā)：“在不同的慣性系中光速不同”——“任何參考系中光速度都應該是同一數(shù)值”，說明相對性原理涉及到接近光速的高速領域產生了明顯的困難。 當時人們?yōu)榱私鉀Q這個困難，提出了三種可能： （1）麥克斯韋電磁理論有錯，正確的電磁方程組應滿足伽利略不變性。 （2）牛頓力學與麥克斯韋電磁理論都對，但麥克

6、斯韋電磁理論只在某一特殊的慣性系成立。 （3）牛頓力學與伽利略變換不對，應存在某種變換，麥克斯韋電磁理論在這種新的變換下具有不變性。這意味著經(jīng)典牛頓力學要作修改，修改后的力學方程在新的變換下具有不變性。 對不同的慣性系，物理規(guī)律（包括力學的和電磁的）都是一樣的，這是愛因斯坦狹義相對論的第一個基本假設。 學習活動五：光速不變原理 光在真空中運動的速度在任何慣性系中測得的數(shù)值都是相同的，這是愛因斯坦狹義相對論的第二個假設。 對兩個基本原理的正確理解： ①自然規(guī)律不僅包括力學規(guī)律，還包括電磁學規(guī)律等其他所有的物理學規(guī)律； ②強調真空中的光速光速不變指大小既不依賴于光源或觀察者的運動，也

7、不依賴于光的傳播方向。 ③幾十年來科學家采用各種先進的物理技術測量光速，結果都不違背光速不變原理。 【課堂小結】 【板書設計】 第一、二節(jié) 牛頓力學中運動的相對性 相對論的兩個基本假設 一、伽利略相對性原理 1、在任何慣性參考系中，力學的規(guī)律都是一樣的，都可以用牛頓定律來描述。 2、地面參考系或相對于它做勻速直線運動的的參考系都可當作慣性系。 二、經(jīng)典時空觀 牛頓定律在所有慣性系都具有相同的表述形式，即牛頓定律在伽利略變換下是協(xié)變的，牛頓力學符合力學相對性原理。 三、伽利略速度變換 四、愛因斯坦相對性原理 對不同的慣性系，物理規(guī)律（包括力學的和電磁的）都是一樣的

8、。 五、光速不變原理 光在真空中運動的速度在任何慣性系中測得的數(shù)值都是相同的。 課后測評 1、下列說法正確的是（ ） A．力學規(guī)律在任何參考系中都是相同的 B．在所有慣性系中物理規(guī)律都是相同的 C．在高速運動情況下，慣性系中的物理規(guī)律也不一定相同 D．牛頓運動定律在非慣性系中不變 2、下列說法正確的是（ ） A．物理的基本規(guī)律在所有慣性系中都是等價的 B．在真空中，光的速度與光的頻率、光源的運動都無關 C．在任何慣性系中，光在真空中沿任意方向的傳播速度都相同 D．以上說法均不正確 3、1905年愛因斯坦提出了狹義相對論，狹義相對論的出發(fā)點是以兩條基本假設

9、為前提的，這兩條基本假設是（ ） A．同時的絕對性與同時的相對性 B．運動的時鐘變慢與運動的尺子縮短 C．時間間隔的絕對性與空間距離的絕對性 D．相對性原理與光速不變原理 4、有甲、乙兩人，甲以5m/s的速度、乙以3m/s的速度都向東直線行走，則甲相對于乙的速度大小為（ ） A．3m/s B．5m/s C．2m/s D．8m/s 5、1905年愛因斯坦提出了狹義相對論，狹義相對論的出發(fā)點是以兩條基本假設為前提的，這兩條基本假設是（ ） A．同時的絕對性與同時的相對性 B．

10、運動的時鐘變慢與運動的尺子縮短 C．時間間隔的絕對性與空間距離的絕對性 D．相對性原理與光速不變原理 A B 光 6、如圖所示，按照狹義相對論的觀點，火箭B是“追趕”光的；火箭A是“迎著”光飛行的，若火箭相對地面的速度為，則兩火箭上的觀察者測出的光速分別為（ ） A．， B．， C．， D．無法確定 7、設某人在以速度為0.5c的飛船上，打開一個光源，則下列說法正確的是（ ） A．飛船正前方地面上的觀察者看到這一光速為1.5c B．飛船正后方地面上的觀察者看到這一光速為0.5c C．在垂直飛船前進方向地面上的觀察者看到這一光速是c D．在地面上任何地

11、方的觀察者看到的光速都是c 8、經(jīng)典力學中認為時間和空間是__________的，而相對論認為時間和空間是__________的。 9、_____________原理是指在不同的慣性參考系中，一切物理定律都是等價的；_____________原理是指真空中的光速在不同的_____________參考系中都是相同的。 參考答案： 1、B 2、A 3、D 4、C 5、D 6、B 7、CD 8、絕對的，相對的 9、相對論，光速不變，慣性 6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375