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(xué)設(shè)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(xué)目標(biāo) 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(shè)． 3. 了解對經(jīng)典物理學(xué)內(nèi)部矛盾的探索過程，理解愛因斯坦建立相對論的科學(xué)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(shè) 難點：牛頓力學(xué)中運動的相對性 設(shè)計思想 通過本節(jié)教學(xué)應(yīng)使學(xué)生了解，牛頓力學(xué)和相對論建立之前的整個經(jīng)典物理學(xué)都是建立在絕對時空概念的基礎(chǔ)上，在人類活動的低速運行“正?！狈秶鷥?nèi)是非常準(zhǔn)確的。在該概念下，經(jīng)典力學(xué)定律、伽利略變換和力學(xué)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(xué)的結(jié)論就與觀測結(jié)果不一致，它揭示

2、了經(jīng)典物理內(nèi)在的某些基本矛盾。自然界不存在特殊的慣性系，不僅力學(xué)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(gòu)建嶄新的時空觀，為后面的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。 教學(xué)資源 多媒體課件 教學(xué)設(shè)計 【課堂學(xué)習(xí)】 學(xué)習(xí)活動一：伽利略相對性原理 對力學(xué)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(xué)實驗都不能夠確定這一慣性系本身是靜止?fàn)顟B(tài)，還是勻速直線運動。 力學(xué)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(xué)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(dāng)作慣性系。 學(xué)習(xí)活動二：經(jīng)典時空觀 設(shè)當(dāng)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(guān)的不變量。 2．空間：若有一把尺子，兩端坐標(biāo)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(guān)的不變量或長

4、度（空間間隔）的絕對性。 即 且認(rèn)為 因此：在中，有，得中 由牛頓的絕對時空以及“絕對質(zhì)量”的概念，得到牛頓相對性原理。 總結(jié)：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(xué)符合力學(xué)相對性原理。 學(xué)習(xí)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(jié)：速率從一個參考系變換到另一個參考系的關(guān)系式稱為伽利略速度變換公式。 學(xué)習(xí)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(dǎo)率是與參考系無關(guān)的常量，因此c也應(yīng)是與參考系無關(guān)。這就是說在任何參考系中測得的光在真空中的速度都應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(lǐng)域產(chǎn)生了明顯的困難。 當(dāng)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(yīng)滿足伽利略不變性。 （2）牛頓力學(xué)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(xué)與伽利略變換不對，應(yīng)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(xué)要作修改，修改后的力學(xué)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(xué)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(shè)。 學(xué)習(xí)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(shè)。 對兩個基本原理的正確理解： ①自然規(guī)律不僅包括力學(xué)規(guī)律，還包括電磁學(xué)規(guī)律等其他所有的物理學(xué)規(guī)律； ②強調(diào)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(xué)家采用各種先進的物理技術(shù)測量光速，結(jié)果都不違背光速不變原理。 【課堂小結(jié)】 【板書設(shè)計】 第一、二節(jié) 牛頓力學(xué)中運動的相對性 相對論的兩個基本假設(shè) 一、伽利略相對性原理 1、在任何慣性參考系中，力學(xué)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(dāng)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(xué)符合力學(xué)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(xué)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(xué)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(guān) 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(shè)

9、為前提的，這兩條基本假設(shè)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(shè)為前提的，這兩條基本假設(shè)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(shè)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(xué)中認(rèn)為時間和空間是__________的，而相對論認(rèn)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