2022年高中物理 《奇特的相對論效應(yīng)》教案 滬科版選修3-4

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1、2022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——運動時鐘延緩； 2、理解運動長度的相對性——運動長度收縮； 3、了解運動物體質(zhì)量與與運動速度的關(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

2、低速情況下的特例；體會物理學(xué)中蘊含的簡單與和諧之美（質(zhì)能方程等）。 【學(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)知識實際上是前邊知識的擴展和延伸，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。 【教學(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】 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。 【

3、教學(xué)難點】 得到新結(jié)論的過程，以及對新結(jié)論的意義理解。 【教學(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？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運動 設(shè)物體在運動的慣性參考系X′ 中某處x′,物體從t′1時刻到t′2時刻完成某一物理過程，則這一物理過程進(jìn)行的時間為Δt′= t′2－t′

4、1 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Δt與Δt′ 相等嗎？Δt與Δt′ 有什么關(guān)系呢？ 運動時鐘延緩 探究Δt與Δt′ 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Δt= t2－t1， 利用洛倫茲變換可知t1 與t′1關(guān)系以及t2與 t′2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?τ，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

5、鐘延緩”。 在v<

6、x1。 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<

7、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：運動物體的質(zhì)量會隨著速度的增大而變大。 在v<

8、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

9、相互獨立的、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

10、義相對論至今，經(jīng)歷了百年的驗證和考察，已有50多個實驗證明了它的正確性。 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D正確。 例2．物體運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

11、=。 　　證明：物體運動時的能量；物體靜止時的能量 Ek=E－E0 　　　　 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<