高中物理 第6章 相對(duì)論與天體物理 6.2 愛(ài)因斯坦眼中的世界教學(xué)設(shè)計(jì) 魯科版選修34

6.2 愛(ài)因斯坦眼中的世界教學(xué)目標(biāo)1. 了解經(jīng)典的相對(duì)性原理 2. 知道狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)3. 了解對(duì)經(jīng)典物理學(xué)內(nèi)部矛盾的探索過(guò)程，理解愛(ài)因斯坦建立相對(duì)論的科學(xué)探究思想和邏輯推理方法重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)：狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)難點(diǎn)：牛頓力學(xué)中運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性設(shè)計(jì)思想通過(guò)本節(jié)教學(xué)應(yīng)使學(xué)生了解，牛頓力學(xué)和相對(duì)論建立之前的整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)都是建立在絕對(duì)時(shí)空概念的基礎(chǔ)上，在人類活動(dòng)的低速運(yùn)行“正常”范圍內(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(duì)性原理三者是自洽的、和諧一致的。但是在這個(gè)范圍以外，牛頓物理學(xué)的結(jié)論就與觀測(cè)結(jié)果不一致，它揭示了經(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(guò)光束不變?cè)恚瑯?gòu)建嶄新的時(shí)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(jì)【課堂學(xué)習(xí)】學(xué)習(xí)活動(dòng)一：伽利略相對(duì)性原理對(duì)力學(xué)規(guī)律而言，所有的慣性系都是等價(jià)的或在一個(gè)慣性系中，所作的任何理學(xué)實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)。力學(xué)中不存在絕對(duì)靜止的概念，不存在一個(gè)絕對(duì)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(lái)描述。2地面參考系或相對(duì)于它做勻速直線運(yùn)動(dòng)的的參考系都可當(dāng)作慣性系。學(xué)習(xí)活動(dòng)二：經(jīng)典時(shí)空觀設(shè)當(dāng)O與O重合時(shí)t=t=0作為記時(shí)的起點(diǎn)， 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(duì)時(shí)空：1時(shí)間：時(shí)間間隔的絕對(duì)性與同時(shí)的絕對(duì)性，即，。時(shí)間是與參照系無(wú)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(zhǎng)度（空間間隔）是與參照系無(wú)關(guān)的不變量或長(zhǎng)度（空間間隔）的絕對(duì)性。 即且認(rèn)為因此：在中，有，得中由牛頓的絕對(duì)時(shí)空以及“絕對(duì)質(zhì)量”的概念，得到牛頓相對(duì)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(duì)性原理。學(xué)習(xí)活動(dòng)三：伽利略速度變換問(wèn)題1：小麗相對(duì)于車(chē)廂以速率v向前跑時(shí)，她對(duì)地面的速率是多少？問(wèn)題2：小麗相對(duì)于車(chē)廂以速率v向后跑時(shí)，她對(duì)地面的速率是多少？小結(jié)：速率從一個(gè)參考系變換到另一個(gè)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(dòng)四：愛(ài)因斯坦相對(duì)性原理相對(duì)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：光是電磁波；由于真空介電常數(shù)和磁導(dǎo)率是與參考系無(wú)關(guān)的常量，因此c也應(yīng)是與參考系無(wú)關(guān)。這就是說(shuō)在任何參考系中測(cè)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(duì)性原理，若以c表示某一參考系K中測(cè)得的真空中光的速度，c為以u(píng)運(yùn)動(dòng)的K系中測(cè)得的光在真空中的速度，根據(jù)伽利略變換，就應(yīng)有： c= cu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(shuō)明相對(duì)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(shí)人們?yōu)榱私鉀Q這個(gè)困難，提出了三種可能：（1）麥克斯韋電磁理論有錯(cuò)，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(duì)，但麥克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(duì)，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(duì)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(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的第一個(gè)基本假設(shè)。學(xué)習(xí)活動(dòng)五：光速不變?cè)砉庠谡婵罩羞\(yùn)動(dòng)的速度在任何慣性系中測(cè)得的數(shù)值都是相同的，這是愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的第二個(gè)假設(shè)。對(duì)兩個(gè)基本原理的正確理解：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；強(qiáng)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(yùn)動(dòng)，也不依賴于光的傳播方向。幾十年來(lái)科學(xué)家采用各種先進(jìn)的物理技術(shù)測(cè)量光速，結(jié)果都不違背光速不變?cè)??！菊n堂小結(jié)】【板書(shū)設(shè)計(jì)】第一、二節(jié) 牛頓力學(xué)中運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性 相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)一、伽利略相對(duì)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(lái)描述。2、地面參考系或相對(duì)于它做勻速直線運(yùn)動(dòng)的的參考系都可當(dāng)作慣性系。二、經(jīng)典時(shí)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(duì)性原理。三、伽利略速度變換四、愛(ài)因斯坦相對(duì)性原理對(duì)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。五、光速不變?cè)砉庠谡婵罩羞\(yùn)動(dòng)的速度在任何慣性系中測(cè)得的數(shù)值都是相同的。課后測(cè)評(píng)1、下列說(shuō)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(yùn)動(dòng)情況下，慣性系中的物理規(guī)律也不一定相同D牛頓運(yùn)動(dòng)定律在非慣性系中不變2、下列說(shuō)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(jià)的B在真空中，光的速度與光的頻率、光源的運(yùn)動(dòng)都無(wú)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(shuō)法均不正確3、1905年愛(ài)因斯坦提出了狹義相對(duì)論，狹義相對(duì)論的出發(fā)點(diǎn)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(shí)的絕對(duì)性與同時(shí)的相對(duì)性B運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢與運(yùn)動(dòng)的尺子縮短C時(shí)間間隔的絕對(duì)性與空間距離的絕對(duì)性D相對(duì)性原理與光速不變?cè)?、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(duì)于乙的速度大小為（ ）A3m/s B5m/s C2m/s D8m/s5、1905年愛(ài)因斯坦提出了狹義相對(duì)論，狹義相對(duì)論的出發(fā)點(diǎn)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(shí)的絕對(duì)性與同時(shí)的相對(duì)性 B運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢與運(yùn)動(dòng)的尺子縮短C時(shí)間間隔的絕對(duì)性與空間距離的絕對(duì)性 D相對(duì)性原理與光速不變?cè)鞟B光6、如圖所示，按照狹義相對(duì)論的觀點(diǎn)，火箭B是“追趕”光的；火箭A是“迎著”光飛行的，若火箭相對(duì)地面的速度為，則兩火箭上的觀察者測(cè)出的光速分別為（ ）A，B，C，D無(wú)法確定7、設(shè)某人在以速度為0.5c的飛船上，打開(kāi)一個(gè)光源，則下列說(shuō)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1.5cB飛船正后方地面上的觀察者看到這一光速為0.5cC在垂直飛船前進(jìn)方向地面上的觀察者看到這一光速是cD在地面上任何地方的觀察者看到的光速都是c8、經(jīng)典力學(xué)中認(rèn)為時(shí)間和空間是_的，而相對(duì)論認(rèn)為時(shí)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(jià)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(duì)的，相對(duì)的 9、相對(duì)論，光速不變，慣性6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375