2019-2020年高中物理 《奇特的相對論效應(yīng)》教案 滬科版選修3-4.doc

2019-2020年高中物理 奇特的相對論效應(yīng)教案 滬科版選修3-4【教學(xué)目標(biāo)】一、知識與技能：1、理解時間間隔的相對性運(yùn)動時鐘延緩；2、理解運(yùn)動長度的相對性運(yùn)動長度收縮；3、了解運(yùn)動物體質(zhì)量與與運(yùn)動速度的關(guān)系；4、了解愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系；5、了解相對論時空觀的深刻變革。二、過程與方法：讓學(xué)生通過狹義相對論的時空觀下，一系列物理規(guī)律與經(jīng)典物理學(xué)中相關(guān)規(guī)律的區(qū)別及關(guān)系，使學(xué)生認(rèn)識到自洽性檢驗(yàn)是科學(xué)理論研究的一個基本方法。三、情感態(tài)度和價值觀：使學(xué)生認(rèn)識狹義相對論中一系列物理規(guī)律實(shí)際上是新時空觀下的真理，更具有普遍性；而經(jīng)典物理學(xué)的規(guī)律是相對論相關(guān)規(guī)律在低速情況下的特例；體會物理學(xué)中蘊(yùn)含的簡單與和諧之美（質(zhì)能方程等）?！緦W(xué)情分析】學(xué)生通過前面的學(xué)習(xí)已經(jīng)了解了狹義相對論的時空觀及其基本原理，以及洛倫茲變換、同時的相對性等，學(xué)習(xí)本節(jié)知識實(shí)際上是前邊知識的擴(kuò)展和延伸，學(xué)生學(xué)習(xí)仍有相當(dāng)大的難度。但是已經(jīng)具備了學(xué)習(xí)本節(jié)知識的基礎(chǔ)準(zhǔn)備?！窘虒W(xué)思路】立足新的時空觀愛因斯坦時空觀，即狹義相對論的時空觀，利用已有知識推導(dǎo)理解新結(jié)論，建立新的概念和規(guī)律；把相對論中的規(guī)律與經(jīng)典物理學(xué)中的相應(yīng)規(guī)律進(jìn)行對比，理解新的觀念和規(guī)律。【教學(xué)重點(diǎn)】介紹狹義相對論的時空觀下，得到的一些新的結(jié)論。通過介紹，使學(xué)生對狹義相對論有一個較為全面的了解。【教學(xué)難點(diǎn)】得到新結(jié)論的過程，以及對新結(jié)論的意義理解?！窘虒W(xué)方法】探究式講授法、討論和練習(xí)。【教學(xué)過程】一、 引入新課復(fù)習(xí)：1、狹義相對論的兩個基本公設(shè)是什么？ 2、狹義相對論的時空觀有什么特點(diǎn)？狹義相對論中同時的相對性是什么意思？ 3、洛倫茲變換的公式是什么？在學(xué)生思考討論回答之后，將正確的結(jié)論通過多媒體進(jìn)行展示。引入新課：提出時鐘延緩的相關(guān)情境和問題：假設(shè)慣性系X 以速度v相對慣性系X運(yùn)動設(shè)物體在運(yùn)動的慣性參考系X 中某處x,物體從t1時刻到t2時刻完成某一物理過程，則這一物理過程進(jìn)行的時間為t= t2t1那么在靜止的參考系X中測量這一物理過程進(jìn)行的時間t與t 相等嗎？t與t 有什么關(guān)系呢？運(yùn)動時鐘延緩探究t與t 有什么關(guān)系（利用洛倫茲變換進(jìn)行推導(dǎo)）：設(shè)在慣性系X中，觀測到該物理過程開始和結(jié)束的時刻分別為t2和t1，則t= t2t1，利用洛倫茲變換可知t1 與t1關(guān)系以及t2與 t2的關(guān)系為 和 所以有 表達(dá)式的意義：如果在慣性系X 中測量某一物理過程經(jīng)歷的時間為，則在慣性系X中測量的這一過程經(jīng)歷的時間t總要長一些。t與t 的關(guān)系為： 這種效應(yīng)簡稱為“時鐘延緩”。在v<<c的情況下，1，故tt。也就是說，低速情況下這種效應(yīng)將很不明顯，與經(jīng)典力學(xué)得到的結(jié)論將是一致的。運(yùn)動長度收縮假設(shè)慣性系X 以速度v沿x軸方向相對慣性系X運(yùn)動，在慣性系X 中有一根沿運(yùn)動方向x 軸方向靜止的棒，如果在慣性系X 中其兩端的x坐標(biāo)分別為x1和x2，測量得其長度為l，則有l(wèi)= x2x1，測量那么在慣性系X中測量的棒的長度l與在慣性系X 中測量得其長度為l有什么關(guān)系？顯然，由于在慣性系X中觀測，棒是運(yùn)動的，故測量其兩端的位置坐標(biāo)x1和x2時，必須同時進(jìn)行（設(shè)是在t時刻進(jìn)行測量的）。才有測量長度l= x2x1。由洛倫茲變換的逆變換式可知和 故有 即 所以在慣性系X中測量的棒的長度l與在慣性系X 中測量得其長度為l 的關(guān)系為 表達(dá)式的意義：在慣性系X中測量的棒的長度l總要短一些。l與l 的關(guān)系為： 這種效應(yīng)簡稱為“尺縮效應(yīng)”。在v<<c的情況下，1，故ll。也就是說，低速情況下這種效應(yīng)也將很不明顯，與經(jīng)典力學(xué)得到的結(jié)論將是一致的。愛因斯坦質(zhì)量公式愛因斯坦認(rèn)為牛頓力學(xué)中質(zhì)量與速度無關(guān)只是低速情況下的近似，實(shí)際上物體的質(zhì)量隨著速度的增大而增大。當(dāng)物體以速度v運(yùn)動時，其質(zhì)量m與它靜止時的質(zhì)量m0的關(guān)系為 （此式不用推導(dǎo)，直接給學(xué)生，但應(yīng)告訴學(xué)生這個公式仍然是由狹義相對論的基本原理得到的）表達(dá)式的意義：運(yùn)動物體的質(zhì)量會隨著速度的增大而變大。在v<<c的情況下，1，故mm0。也就是說，低速情況下這種效應(yīng)也將很不明顯，與經(jīng)典力學(xué)得到的結(jié)論將是一致的。愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系愛因斯坦在1905年推導(dǎo)出如下公式E=mc2（此式不用推導(dǎo)，直接給學(xué)生，但應(yīng)告訴學(xué)生這個公式仍然是由狹義相對論的基本原理得到的）表達(dá)式的意義：任何質(zhì)量m都對應(yīng)著一定的能量mc2。這個公式把物體的質(zhì)量和能量緊密的聯(lián)系在一起，因此稱之為“愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系”或“愛因斯坦質(zhì)能聯(lián)系方程”。由此式可知：物體能量的變化一定與質(zhì)量變化是相對應(yīng)的。能量的變化E質(zhì)量變化m的關(guān)系為 E=mc2。在核反應(yīng)中我們將應(yīng)用此式計算釋放或吸收的能量。時空觀的深刻變化愛因斯坦狹義相對論的時空觀是人類時空觀發(fā)展史上的一次重大變革，相對論時空觀與經(jīng)典物理學(xué)的絕對時空觀的區(qū)別主要有：1、狹義相對論的時空觀把原來認(rèn)為毫無聯(lián)系的時間、空間和物質(zhì)的運(yùn)動密切聯(lián)系起來了揭示了它們之間的依賴關(guān)系。而絕對時空觀則把空間看成是“與外界任何事物無關(guān)”的空架子；把時間看成是“與外界任何事物無關(guān)地流逝著”的河流；且空間和時間都具有絕對的意義。概括起來就是：絕對時空觀認(rèn)為，時間和空間是相互獨(dú)立的、互不相關(guān)的連續(xù)體，時間可以離開空間存在，空間也可以離開時間存在。狹義相對論的時空觀則認(rèn)為，時間和空間存在著內(nèi)在的不可分割的聯(lián)系，它們不能分割開來而獨(dú)立存在，時間和空間是相互聯(lián)系、相和制約的一個整體。2、狹義相對論表明了時空的相對性與絕對性的統(tǒng)一。在狹義相對論中，在不同的慣性系看來，雖然兩個事件的空間間隔和時間間隔分別都是相對的，但是相對論的時空卻使時空整體具有了“絕對性”。狹義相對論是20世紀(jì)物理學(xué)偉大的成就之一。它引發(fā)了物理學(xué)史上一次深刻的變革，成為近代物理學(xué)的兩大支柱之一（另一大支柱是量子力學(xué)）。同時狹義相對論使人類對物質(zhì)世界的認(rèn)識發(fā)生了巨大的飛躍。從愛因斯坦提出狹義相對論至今，經(jīng)歷了百年的驗(yàn)證和考察，已有50多個實(shí)驗(yàn)證明了它的正確性。二、 典型例題例1. 某物體的速度使其質(zhì)量增加10，則此物體在其運(yùn)動方向上縮短了 【 】A 10 B 90 C D【解析】由相對論知 又根據(jù)尺縮效應(yīng)公式知 故 所以選項(xiàng)D正確。例2物體運(yùn)動時的能量和靜止時的能量之差就是物體的動能Ek，試?yán)觅|(zhì)能方程E=mc2，證明宏觀低速物體的動能為 Ek=。證明：物體運(yùn)動時的能量；物體靜止時的能量Ek=EE0 則： () 當(dāng)v很小時，即時，根據(jù)數(shù)學(xué)公式有： 故 這又一次說明了牛頓力學(xué)是相對論力學(xué)在v<<c時的特例三、 課堂練習(xí)1、1947年，在用乳膠研究高空宇宙射線時，發(fā)現(xiàn)了一種不穩(wěn)定的基本粒子，稱作介子，質(zhì)量約為電子質(zhì)量的273.27倍，它帶有一個電子電量的正電荷或負(fù)電荷，稱作+或-若參考系中介子處于靜止，它們的平均壽命為=2.5610-8 s，設(shè)介子以0.9c速率運(yùn)動，求從實(shí)驗(yàn)室參考系觀測到該粒子的平均壽命。2、處于恒星際站上的觀測者測得兩個宇宙飛船以0.99c的速率沿相反方向離去，問自一火箭測得另一火箭的速率是多少？參考答案：1、5.8710-8 s 2、0.99995c 四、 課堂小結(jié)本節(jié)主要學(xué)習(xí)了狹義相對論的幾個奇特的效應(yīng)：1、尺縮效應(yīng)2、鐘慢效應(yīng)3、愛因斯坦質(zhì)量公式4、愛因斯坦質(zhì)能方程通過學(xué)習(xí)進(jìn)一步了解：狹義相對論使人類的時空觀發(fā)生了重大的變革，使人類對物質(zhì)世界的認(rèn)識發(fā)生了巨大的飛躍。五、 家庭作業(yè)與活動思考與練習(xí)：P.112 家庭作業(yè)與活動1、2、