高中物理 第6章 經(jīng)典力學與現(xiàn)代物理 6.2 狹義相對論的基本原理教案 滬科版必修2

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1、 6.2 狹義相對論的基本原理 教研中心 教學指導(dǎo) 一、課標要求 1.通過學生熟悉的物理事例讓學生理解經(jīng)典力學中的時空觀（絕對時空觀）. 2.通過對追光問題的思考，結(jié)合伽利略相對性原理提出慣性系的概念，從對實際問題的研究中發(fā)現(xiàn)并思考問題. 3.了解狹義相對論兩個基本公設(shè)的產(chǎn)生基礎(chǔ)，它與經(jīng)典時空觀的矛盾，知道愛因斯坦就是在解決這一矛盾的過程中提出了狹義相對論. 二、教學建議 1.在介紹經(jīng)典力學的絕對時空觀時應(yīng)該使學生明白這種時空觀特點是時間和空間是分離的、絕對的，與物質(zhì)的運動形式無關(guān)，而得出這些觀點的主要渠道是直覺和經(jīng)驗.在教學中應(yīng)該注意到這種時空觀已經(jīng)被學生所接受，不能急著

2、說這種觀點不正確，相反可以肯定這些觀點對于跑動、乘車甚至于乘坐高速運動的火箭的觀察者來說，時間和空間都是統(tǒng)一的. 2.追光問題的思考在本節(jié)中的地位相當重要，教學中可以運用所學過的知識作簡要的分析和說明，可以組織學生討論、設(shè)想、相互評價，沒有必要涉及更深的理論，但應(yīng)該使學生知道兩種結(jié)論似乎都不能令人滿意.這也就提出了問題，科學家是怎樣尋求答案的. 3.伽利略相對性原理中首先提出了慣性系的概念，指出了慣性系中的力學規(guī)律都相同，所有的慣性系都等價.在教學中應(yīng)該處理好教材中給出的討論題，可以讓學生討論出在三種情況下得到三種不同的結(jié)果，都與“光速不變”產(chǎn)生矛盾，而“光速不變”這一結(jié)論只能用“大量的事

3、實證明”來直接告訴學生. 4.狹義相對論的兩個基本公設(shè)的提出，是針對伽利略的相對性原理與光速不變這一事實發(fā)生矛盾時，愛因斯坦在尋求二者的統(tǒng)一.在教學中應(yīng)該把重點放在介紹愛因斯坦超人的智慧和獨特的思維方式上，在要求上只能作為科普知識，沒有必要作過多的要求. 5.狹義相對論的相關(guān)知識很多學生只是了解一點點，本節(jié)教學中可以讓學生相互交流、討論，可以介紹一點有關(guān)狹義相對論的小故事，目的是激發(fā)學生的學習興趣，但不能過多地討論. 資源參考 用伽利略相對性原理求解“為什么會擊中”的問題 此類問題在力學中是非常有趣的問題，很易用實驗證實，既是老問題，又是新問題. 在均勻的引力場中，

4、若忽略空氣阻力，槍瞄準吊在高處B的蘋果A，往往都擊中.若A在開始射擊的時刻同時自由落下，只要子彈的速度足夠大，如圖1，都能擊中，可用牛頓力學來求解.最近，Kalotas等人指出，此種解答不能給出直觀的結(jié)果，而用另一種方法求解，即愛因斯坦等效性原理（Ep）、且考慮蘋果A在豎直方向自由下落.在這構(gòu)想中，除了應(yīng)用愛因斯坦等效性原理外，還采用連接在自由下落蘋果A和子彈上的參考系（非慣性系），引入一虛構(gòu)的達朗伯力作用于子彈和蘋果上，抵消引力，這樣在子彈和蘋果上不存在凈力，即合力為零，子彈直線運動擊中固定不動的蘋果A.雖然此種方法能給學生良好的直觀感覺，但很難理解，在非慣性系中引入達朗伯力，就不易接受.

5、 圖1 現(xiàn)在，也是本文主要談的，用伽利略的運動學研究擊中下落蘋果的問題，在歷史上和概念上都優(yōu)越于牛頓力學.此種方法能方便地、直觀地解決此類問題，也能解決兩物體（如導(dǎo)彈等）在空中相碰的問題. 伽利略的運動相對性原理：運動物體在以恒定速度相對運動的坐標系中的物理規(guī)律是相同的，即所有的慣性系都是等價的.令S是慣性參考系，原點為B，考慮一個想象的參考點R在射擊初始時刻（t=0）以子彈的速度運動，以R為原點建立一慣性系S′.因此，S′相對于S以恒定速度（v0，θ0）直線運動，如圖2，在S′慣性參考系上觀察，t＝0時，子彈D開始從原點R由靜止自由下落，因此在任意時刻t，離原點R的距

6、離為gt2，因為在所有慣性系中，時間間隔和空間間隔都是同樣的，則在S中觀察，在任意時刻t，子彈D離原點R的距離仍是gt2. 圖2 現(xiàn)考慮時刻t1，R運動到B點，在S中，蘋果在t1期間從靜止下落，因此離原點的距離為gt12，因為R和B在t1相遇，子彈D和蘋果A必在同一點相遇，如圖3.即相遇在R和B的下面gt12的地方.值得注意的是這種論證法不用計算，顯得簡單和直觀，可以這樣說：在R運動到B的時間間隔內(nèi)，自由下落的距離是gt12，與速度v0無關(guān).這里的重要點是在S′中的子彈D和在S中的蘋果A同時地從原點由靜止開始自由下落，從運動的相對性來看，應(yīng)認為在慣性系中自由下落是同樣的，因此當

7、兩個原點R和B相重合時，子彈D和蘋果A必在同一點. 圖3 同樣的考慮可用于空中截擊目標的舉例，如圖4，兩個拋射體（如炮彈、導(dǎo)彈、火箭等）同時從同樣高度射擊，初速分別為v01和v02，如前所說，假設(shè)每個拋射體在慣性系中有它自己的參考點，在空中相遇的條件為： v01sinθ01=v02sinθ02① 圖4 它們在同一時刻在R′相遇，當然，同樣的結(jié)果也可在實驗室參考系中求得，此時，只要認為兩個拋射體的初速的Y分量相等，即滿足①式就可，此時兩個拋射體在同樣高度相遇. 總之，本文談的方法是簡單、直觀的，只應(yīng)用伽利略的運動相對性原理、采用常用的慣性系和應(yīng)用簡單的自由落體公式，就求得滿意的結(jié)果.按現(xiàn)編的大學普通物理力學教材介紹的方法，要解決此類問題，必然應(yīng)用斜拋公式、自由落體公式和某些幾何條件，顯得麻煩些，且不直觀. 6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375