2019-2020年高中物理 《电磁场理论引发的怪异问题》教案 沪科版选修3-4.doc

2019-2020年高中物理 电磁场理论引发的怪异问题教案 沪科版选修3-4【教学目标】（一）知识与技能（1）了解相对论诞生的历史背景，知道麦克耳孙一莫雷实验（2）了解经典的相对性原理（伽利略相对性原理）（3）进一步认识经典电磁理论的缺陷（二）过程与方法（1）了解对经典物理学内部矛盾的探索过程（2）理解爱因斯坦对电磁现象的科学探究思想方法和发现（三）情感、态度与价值观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。【学情分析】学生已经学习了经典物理学的绝大部分基本知识，已经习惯了在经典时空观下思考问题，对教材介绍的实验理解，已有相关知识的支持。学习的难点在于新问题新结论的得出，因此教学中应注意把教学重点放在，逻辑推理的基础和逻辑推理的过程上。【教学思路】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。【教学重点】1、明确狭义相对论的一个重要的理论基础迈克尔孙-莫雷实验2、了解爱因斯坦的探究及发现经典物理学存在问题的症结在于运动学的基本概念上。【教学难点】通过实验探究和理论分析，发现经典物理学（从电磁学入手）存在的问题。【教学方法】讲授法+自主学习法【教学过程】新课引入：19世纪后半叶，电磁理论已被证实是正确的，并确认光是电磁波。由于当时人们按照机械波传播时需要介质，认为电磁波和光的传播也需要要介质，而事实表明电磁波和光在真空中也可以传播。在真空中是借助什么介质传播的呢？传播电磁波和光的介质一时找不到，当时人们便接受了亚里士多德的“以太”学说，认为“以太”就是传播电磁波和光的介质。那么光速就应该是光相对“以太”的速度。亚里士多德认为世界有“土、水、火、气”四种元素组成，后来又补充了第五种元素“以太”。至于“以太”是什么物质，也是人们感到困扰的。科学发展至今，我们知道电磁波的传播本来就不需要介质。那么会思考：这“以太”是否存在？一、历史上一个著名的实验：迈克尔孙-莫雷实验1、阅读教材：经典物理中的速度合成公式：P.1032、将经典物理中的速度合成公式用于光的传播问题：按照经典物理理论，假定光在“以太”中的传播速度为c，那么如果观察者相对以太运动的话，观察者测量的光速将不会是c。如果观察者顺着光的方向运动，测量的光速将会比c小；如果观察者逆着光的方向运动，测量的光速将会比c大。3、迈克尔孙-莫雷实验1886年，迈克尔孙-莫雷实验就是希望通过干涉现象探寻以太相对地球是如何运动的而设计的一个实验：如果“以太”相对地面运动，那么在干涉仪旋转一周的过程中，将会看到干涉条纹的移动。因为光在不同方向的传播速度会有所不同。实验结果：在水平面上转动干涉仪的过程中，没有观察到干涉条纹预期的移动。这就是说：地球相对以太的速度v实际上等于零，或者说以太不存在；光速c是不变的。此即所谓迈克尔孙-莫雷实验的“以太漂移的零结果”。此后的50年中，有11位科学家发表了13份精确的实验数据，都得到了“以太漂移的零结果”这是光速不变和以太不存在的判定性实验。4、分析论证：光在任何方向上，相对地球的传播速度都是相同的。据此科学家认为，要么“以太”本身就不存在，要么“以太”存在但它相对地球是静止的。但事实表明“以太”本身是不存在的，因为人们在测量太阳光的光速与地面上的光源发出的光的光速也是相同的，因此否定了后一种假设。二、经典电磁理论的“缺陷”1、伽利略相对性原理：力学规律在任何惯性系中都是相同的，即任何惯性参考系都是平权的（即等价的）。什么是惯性系？什么是非惯性系？ 牛顿运动定律能够成立的参考系叫惯性系，牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系。通常我们认为地球是一个很好的惯性系。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。如我们坐在匀速运动的汽车轮船里，观察物体的运动时，汽车轮船作为参考系都是惯性系。相反，如果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。2、伽利略相对性原理：对于力学规律来说，一切惯性系都是等价的。3、爱因斯坦认为，在不同的惯性系中，一切物理规律(包括电磁规律)都应该的是相同的。即对于所有物理规律，一切惯性系都是等价的。但电磁规律在不同的惯性系中，却表现出不同的结论。正如爱因斯坦对电磁感应现象的思考：如右图所示，我们知道，当磁体相对导体闭合回路运动时回路中就产生感应电流，不管是磁体运动还是回路运动。但从磁体看，肯定没有电场；可是从导体回路看却肯定没有磁场。因此应该从整体上认识电场和磁场。同时爱因斯坦认为把力学中的速度公式用于电磁场问题，这也是值得怀疑的。经过若干年的探索之后，他才发现其原因在于运动学一些基本概念的任意性上即我们过去的时空观存在问题。【课堂练习】1、“以太”存在吗？你通过学习，说明为什么存在或不存在？2、什么是“伽利略相对性原理”？爱因斯坦对它进行了推广，提出了什么看法？3、爱因斯坦经过多年探索，发现经典物理学遇到的不能解决的问题，其原因在哪里？ 答案请同学在教材后在教材上寻找【课堂小结】通过学习我们知道了： 1、“以太”不存在； 2、光速不会随参考系而发生变化，即光速不变； 3、得到以上两个结论的基础是实验：迈克耳-莫雷实验以及一些测定光速的实验。 4、爱因斯坦经过多年的探索和深邃的思考，发现经典物理学的时空观存在问题。【家庭作业与活动】思考与讨论：P.104 家庭作业与活动1、2、3