2022年高三物理 第二十三章 相对论简介 一、狭对相对论的基本假说(第一课时)

2022年高三物理 第二十三章 相对论简介 一、狭对相对论的基本假说(第一课时)本节教材分析本节在介绍了经典的相对性原理的基础上，提出了光速不变与传统观念的矛盾，进而引入了狭义相对论的两个基本假设.一些经典的定理和法则在人们头脑中已经根深蒂固，学生在学习时很难理解速度合成法则和同时性在高速状态下是不成立的.教学中要让学生认识到实验是检验物理知识正确与否的最终标准.“事件”的概念是理解同时相对性的基础，要着力讨论清楚，关于事件发生先后的结论在后面的学习中经常要用到，应尽可能使学生记住，可通过一些实际问题的训练加深学生的理解.教学目标一、知识目标1理解经典的相对性原理以及光的传播与经典的速度合成法则之间的矛盾.2理解狭义相对论的基本假设以及同时的相对性.二、能力目标1通过学习，提高分析物理现象与定理定律矛盾的能力.2培养严密的逻辑推理能力.三、德育目标通过对本节内容的学习，认识科学假设在科学发现上的重要作用，进一步理解逻辑推理的力量.教学重点两个假设和同时的相对性.教学难点光速不变原理及同时的相对性.教学方法通过在具体实例中提出问题、揭示矛盾、引发学生思考，然后通过相对论假设进行逻辑推理，得出结论.教学用具投影仪及投影片.课时安排1课时教学过程一、引入新课复习惯性系和非惯性系师请同学们回忆一下什么是惯性系？什么是非惯性系？举例说明.生牛顿运动定律能够成立的参考系叫惯性系，匀速运动的汽车轮船等作为参考系就是惯性系.牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系.例如我们坐在加速的车厢里，以车厢为参考系观察路边的树木房屋向后方加速运动，根据牛顿运动定律，房屋树木应该受到不为零的合外力作用，但事实上没有，也就是牛顿运动定律不成立.这里加速的车厢就是非惯性系.师很好，根据惯性系的概念，不难推出，相对于一个惯性系做匀速运动的另一个参考系也是惯性系.二、新课教学（一）经典的相对性原理师下面我们来研究一个简单的力学问题.(投影问题）如图231，在列车车厢的光滑水平面上有一个质量为m=0.5 kg的小球，正随车厢一起以20 m/s的速度匀速前进.现在给小球一个水平向前的F=5 N的拉力作用，求经10 s时，车厢里的观察者和地面的观察者看到小球的速度分别是多少？图231学生分析：对车上的观察者物体初速度v0=0加速度a=10 m/s210 s时速度v1=at=10 m/s对地上的观察者方法一：物体初速度v0=20 m/s加速度相同a=10 m/s210 s末速度v2=v0+at=30 m/s方法二：根据速度合成法则v2=v1+v0=(10+20) m/s=30 m/s师通过这个例子大家看到，在两个惯性系中，虽然观察到的结果并不相同，一个是10 m/s,另一个是30 m/s，但我们却应用了同样的运动定律和速度合成法则，也就是说，我们相信：力学规律在任何惯性系中都是相同的.这就是伽利略相对性原理.在一个惯性参考系内的任何力学实验都无法判断这个参考系是否相对于另一个参考系做匀速运动或者说任何参考系都是平权的.(教师还可引导学生举例说明相对性原理，并进行讨论）（二）光速引起的困难师请大家看课本图231，考虑几个问题：1.参考系O相对于参考系O静止时，人看到的光速应是多少？2参考系O相对于参考系O以速度v向右运动，人看到的光速应是多少？3参考系O相对于参考系O以速度v向左运动，人看到的光速又是多少？生第一种情况人看到的光速应是c，第二种情况应是c+v，第三种情况应是c-v.师说说你们判断依据.生根据速度合成的法则.师大家认为对吗？（学生一致认为正确）师如果这个法则有问题呢？（学生沉默）师实践是检验真理的标准，我们是不是可以通过实验来检验呢？回答是肯定的，这就是著名的麦克尔逊测定光速的实验，同学们应该有印象.生不论光源和观察者怎样运动，光速都是相同的.师这与我们从速度合成法则推导的结论发生了矛盾.问题出在哪里呢？（三）狭义相对论的两个假设师这一矛盾，不仅对我们的推理给予否定，还对麦克斯韦电磁场理论提出了挑战：要么否定特殊参考系O的存在，要么放弃麦克斯韦电磁场理论.爱因斯坦选择了后者，提出了两条假设：（投影）1在不同的惯性系中，一切物理规律都是相同的.(爱因斯坦相对性原理）2真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的.(光速不变原理）生为什么这两个结论被称为假设呢？师虽然这两个假设可以由麦克尔逊实验直接推出，但这毕竟是有限的几次实验，只有用这个假设得出大量的结论与事实相符时，它们才能成为真正意义上的原理，这才是科学的态度.(四）同时的相对性师首先我们来认识一下“事件”的概念，在这里我们说的事件可以指一个婴儿的诞生，一个光子与观测仪器的撞击或闪电打击地面等等.请大家再举几个例子.生光从光源发出，宇宙中某个星体的爆发，一个车辆的启动等都是“事件”.师下面我们通过一个实例分析，来看看经典物理和相对论对同时的理解有何不同.投影问题车厢长为L，正以速度v匀速向右运动，车厢底面光滑，现有两只完全相同的小球，从车厢中点以相同的速率v0分别向前后匀速运动，（相对于车厢），问（1）在车厢内的观察者看来，小球是否同时到达两壁？（2）在地上的观察者看来两球是否同时到达两壁？图232分析：在车上的观察者看来，A球经时间tA=B球经时间tB=因此两球同时到达前后壁.在经典物理学家看来，同时发生的两件事在任何参照系中观察，结果都是同时的，两球也应同时到达前后壁.这是我们在日常生活中得到的结论.师如果把上述事件换成两列光的传播，情况如何呢？（引导学生看图232，从经典观点和光速不变原理两方面分析）生在车上的观察者看来，闪光同时到达前后壁，在地上的观察者看来，闪光先到达后壁.师为什么呢？生根据爱因斯坦相对性原理，在不同参考系中一切物理规律都是相同的，这里匀速运动规律也一样，据s=ct得t=,车上观察者看来s相同，c也一样，所以t相同，而对地面的观察者，光向后位移s小，而光速仍然不变，所以向后运动光需要较短时间到达后壁.师分析得不错，由此看来，根据爱因斯坦相对性原理和光速不变原理，我们自然会得出“同时是相对的”这样一个原理，也就是说，在一个参考系中看来“同时”的，在另一个参考系中却可能“不同时”.师那么为什么我们平时不能观察这种现象呢？生因为火车速度相对于光速来说太小，在光传播的短时间内，火车位移不大，我们不能发现这么短的时间差.如果火车速度接近光速，这一现象一定很明显.师是的，看来经典的时间观动摇了，相对论给我们展示了高速运动状态下全新的世界.三、小结本节课我们通过复习惯性系概念，理解了经典的相对性原理.光速实验引起的困难，理解了光的传播与经典理论的矛盾.狭义相对论的两个基本假设，理解了同时的相对性.四、布置作业练习一（1）、（2）、（3）五、板书设计（一）经典的相对性原理惯性系：牛顿运动定律成立的参考系.相对性原理、力学规律在任何惯性系中都是相同的.（二）光速引起的困难不论观察者与光源做怎样的相对运动，光速都是不变的.(三)狭义相对论的两个假设1不同惯性系中，一切物理规律都是相同的.2真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的.(四)同时的相对性在不同参考系中，同时是相对的.六、本节优化训练设计1.下列说法正确的是A.力学规律在任何参考系中都是相同的B.在所有惯性系中物理规律都是相同的C.在高速运动情况下，惯性系中的物理规律也不一定相同D.牛顿运动定律在非惯性系中不变2.设某人在以速度为0.5c的飞船上，打开一个光源，则下列说法正确的是A.飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.5cB.飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5cC.在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是cD.在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c3.为什么我们在日常生活中没有人觉察到不同参考系中同时的相对性？参考答案：1.B 2.CD 3.略