2019-2020年高中物理 《奇特的相对论效应》教案 沪科版选修3-4.doc

2019-2020年高中物理 奇特的相对论效应教案 沪科版选修3-4【教学目标】一、知识与技能：1、理解时间间隔的相对性运动时钟延缓；2、理解运动长度的相对性运动长度收缩；3、了解运动物体质量与与运动速度的关系；4、了解爱因斯坦质能关系；5、了解相对论时空观的深刻变革。二、过程与方法：让学生通过狭义相对论的时空观下，一系列物理规律与经典物理学中相关规律的区别及关系，使学生认识到自洽性检验是科学理论研究的一个基本方法。三、情感态度和价值观：使学生认识狭义相对论中一系列物理规律实际上是新时空观下的真理，更具有普遍性；而经典物理学的规律是相对论相关规律在低速情况下的特例；体会物理学中蕴含的简单与和谐之美（质能方程等）。【学情分析】学生通过前面的学习已经了解了狭义相对论的时空观及其基本原理，以及洛伦兹变换、同时的相对性等，学习本节知识实际上是前边知识的扩展和延伸，学生学习仍有相当大的难度。但是已经具备了学习本节知识的基础准备。【教学思路】立足新的时空观爱因斯坦时空观，即狭义相对论的时空观，利用已有知识推导理解新结论，建立新的概念和规律；把相对论中的规律与经典物理学中的相应规律进行对比，理解新的观念和规律。【教学重点】介绍狭义相对论的时空观下，得到的一些新的结论。通过介绍，使学生对狭义相对论有一个较为全面的了解。【教学难点】得到新结论的过程，以及对新结论的意义理解。【教学方法】探究式讲授法、讨论和练习。【教学过程】一、 引入新课复习：1、狭义相对论的两个基本公设是什么？ 2、狭义相对论的时空观有什么特点？狭义相对论中同时的相对性是什么意思？ 3、洛伦兹变换的公式是什么？在学生思考讨论回答之后，将正确的结论通过多媒体进行展示。引入新课：提出时钟延缓的相关情境和问题：假设惯性系X 以速度v相对惯性系X运动设物体在运动的惯性参考系X 中某处x,物体从t1时刻到t2时刻完成某一物理过程，则这一物理过程进行的时间为t= t2t1那么在静止的参考系X中测量这一物理过程进行的时间t与t 相等吗？t与t 有什么关系呢？运动时钟延缓探究t与t 有什么关系（利用洛伦兹变换进行推导）：设在惯性系X中，观测到该物理过程开始和结束的时刻分别为t2和t1，则t= t2t1，利用洛伦兹变换可知t1 与t1关系以及t2与 t2的关系为 和 所以有 表达式的意义：如果在惯性系X 中测量某一物理过程经历的时间为，则在惯性系X中测量的这一过程经历的时间t总要长一些。t与t 的关系为： 这种效应简称为“时钟延缓”。在vc的情况下，1，故tt。也就是说，低速情况下这种效应将很不明显，与经典力学得到的结论将是一致的。运动长度收缩假设惯性系X 以速度v沿x轴方向相对惯性系X运动，在惯性系X 中有一根沿运动方向x 轴方向静止的棒，如果在惯性系X 中其两端的x坐标分别为x1和x2，测量得其长度为l，则有l= x2x1，测量那么在惯性系X中测量的棒的长度l与在惯性系X 中测量得其长度为l有什么关系？显然，由于在惯性系X中观测，棒是运动的，故测量其两端的位置坐标x1和x2时，必须同时进行（设是在t时刻进行测量的）。才有测量长度l= x2x1。由洛伦兹变换的逆变换式可知和 故有 即 所以在惯性系X中测量的棒的长度l与在惯性系X 中测量得其长度为l 的关系为 表达式的意义：在惯性系X中测量的棒的长度l总要短一些。l与l 的关系为： 这种效应简称为“尺缩效应”。在vc的情况下，1，故ll。也就是说，低速情况下这种效应也将很不明显，与经典力学得到的结论将是一致的。爱因斯坦质量公式爱因斯坦认为牛顿力学中质量与速度无关只是低速情况下的近似，实际上物体的质量随着速度的增大而增大。当物体以速度v运动时，其质量m与它静止时的质量m0的关系为 （此式不用推导，直接给学生，但应告诉学生这个公式仍然是由狭义相对论的基本原理得到的）表达式的意义：运动物体的质量会随着速度的增大而变大。在vc的情况下，1，故mm0。也就是说，低速情况下这种效应也将很不明显，与经典力学得到的结论将是一致的。爱因斯坦质能关系爱因斯坦在1905年推导出如下公式E=mc2（此式不用推导，直接给学生，但应告诉学生这个公式仍然是由狭义相对论的基本原理得到的）表达式的意义：任何质量m都对应着一定的能量mc2。这个公式把物体的质量和能量紧密的联系在一起，因此称之为“爱因斯坦质能关系”或“爱因斯坦质能联系方程”。由此式可知：物体能量的变化一定与质量变化是相对应的。能量的变化E质量变化m的关系为 E=mc2。在核反应中我们将应用此式计算释放或吸收的能量。时空观的深刻变化爱因斯坦狭义相对论的时空观是人类时空观发展史上的一次重大变革，相对论时空观与经典物理学的绝对时空观的区别主要有：1、狭义相对论的时空观把原来认为毫无联系的时间、空间和物质的运动密切联系起来了揭示了它们之间的依赖关系。而绝对时空观则把空间看成是“与外界任何事物无关”的空架子；把时间看成是“与外界任何事物无关地流逝着”的河流；且空间和时间都具有绝对的意义。概括起来就是：绝对时空观认为，时间和空间是相互独立的、互不相关的连续体，时间可以离开空间存在，空间也可以离开时间存在。狭义相对论的时空观则认为，时间和空间存在着内在的不可分割的联系，它们不能分割开来而独立存在，时间和空间是相互联系、相和制约的一个整体。2、狭义相对论表明了时空的相对性与绝对性的统一。在狭义相对论中，在不同的惯性系看来，虽然两个事件的空间间隔和时间间隔分别都是相对的，但是相对论的时空却使时空整体具有了“绝对性”。狭义相对论是20世纪物理学伟大的成就之一。它引发了物理学史上一次深刻的变革，成为近代物理学的两大支柱之一（另一大支柱是量子力学）。同时狭义相对论使人类对物质世界的认识发生了巨大的飞跃。从爱因斯坦提出狭义相对论至今，经历了百年的验证和考察，已有50多个实验证明了它的正确性。二、 典型例题例1. 某物体的速度使其质量增加10，则此物体在其运动方向上缩短了 【 】A 10 B 90 C D【解析】由相对论知 又根据尺缩效应公式知 故 所以选项D正确。例2物体运动时的能量和静止时的能量之差就是物体的动能Ek，试利用质能方程E=mc2，证明宏观低速物体的动能为 Ek=。证明：物体运动时的能量；物体静止时的能量Ek=EE0 则： () 当v很小时，即时，根据数学公式有： 故 这又一次说明了牛顿力学是相对论力学在vc时的特例三、 课堂练习1、1947年，在用乳胶研究高空宇宙射线时，发现了一种不稳定的基本粒子，称作介子，质量约为电子质量的273.27倍，它带有一个电子电量的正电荷或负电荷，称作+或-若参考系中介子处于静止，它们的平均寿命为=2.5610-8 s，设介子以0.9c速率运动，求从实验室参考系观测到该粒子的平均寿命。2、处于恒星际站上的观测者测得两个宇宙飞船以0.99c的速率沿相反方向离去，问自一火箭测得另一火箭的速率是多少？参考答案：1、5.8710-8 s 2、0.99995c 四、 课堂小结本节主要学习了狭义相对论的几个奇特的效应：1、尺缩效应2、钟慢效应3、爱因斯坦质量公式4、爱因斯坦质能方程通过学习进一步了解：狭义相对论使人类的时空观发生了重大的变革，使人类对物质世界的认识发生了巨大的飞跃。五、 家庭作业与活动思考与练习：P.112 家庭作业与活动1、2、