2020-2021学年高中物理-第5章-科学进步无止境-第1节-初识相对论教案2-鲁科版必修第二册.docx

2020-2021学年高中物理 第5章 科学进步无止境 第1节 初识相对论教案2 鲁科版必修第二册

2020-2021学年高中物理 第5章 科学进步无止境 第1节 初识相对论教案2 鲁科版必修第二册

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第1节 初识相对论

本节内容用物理学史中完整的经典物理学体系建立后所面临的两个无法解决的问题（“迈克尔孙—莫雷实验 ”和黑体辐射的“紫外灾难 ”），直述相对论建立和量子论产生背景，进而交代本章侧重初步了解相对论的相关内容，在必修第三册中再了解量子论的有关内容。锁定本章学习主题后，首先，把经典物理探索光的传播介质“以太 ”的研究（探索“以太风 ”的存在实验）展示出来，让学生用已有的速度合成知识得到“光速与测量者相对光源的运动速度有关 ”的结论。再介绍著名的“迈克尔孙—莫雷实验 ”的结果：光速与测量者相对光源的运动速度无关。当已有理论推导结果与实验事实之间出现矛盾时，进一步介绍爱因斯坦通过科学推理、超越经典大胆假设的狭义相对论的两个基本原理。

物理观念：能初步了解相对论时空观的内涵，建立初步的相对论时空观。
科学思维：知道研究高速世界需要建构物理模型；知道科学推理与大胆想象的重要性。
科学探究：知道在可靠的实验事实基础上，进行科学推理、合理假设等科学研究方法的重要性。
科学态度与责任：通过学习，体会在科学研究中不放过丝毫疑惑、穷根究理的态度和责任。

1、教学重点：对狭义相对论的两个基本原理内容的了解及对科学推理、合理假设的科学研究方法
的理解。
2、教学难点：对狭义相对论的两个基本原理内容的了解。

多媒体课件

【新课导入】
自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。

【新课内容】
一.迈入新世界
1900年，英国物理学家开尔文踌躇满志地宣告：在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。但是在这尽善尽美之中，还有一点小小的遗憾。用开尔文的话说，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵小小的令人不安的“乌云”。
物理学晴朗天空的远处还有两朵小小的、令人不安的“乌云”
“以太漂移”，迈克尔逊－莫雷实验表明，以太不存在。
“紫外灾难”，由经典理论得出的瑞利－金斯公式，在高频部分趋于无穷。
正是这两朵乌云(后来还出现了其它更多的乌云)，不久便掀起了物理学上深刻的革命：一个导致相对论的建立，一个导致量子力学的诞生。
我们知道，水波的传播要有水作为媒介，声波的传播要有空气作为媒介。经典物理学家曾认为，“以太”是光波的传播介质，这种介质绝对静止、密度极小（几乎为0）、硬度极大、完全透明，充满宇宙空间，渗透于一切物体。若真存在“以太地球在“以太”的海洋中自转、公转，则一定会有“以太风”迎面扑来。因此，探索“以太风”的存在，确定地球和“以太”的相对运动，就成为19世纪后半叶物理学的一个重要课题。

按照经典时空观的运动合成原理，在以大小为v1的速度水平行驶的汽车上，有人相对于汽车以大小为v2的速度将一物体水平抛出。在静止于路边的观察者看来，若物体抛出时与汽车同向，则物体速度大小为v1+v2；若反向，则物体速度大小为v2-v1。
同样道理，假设光相对“以太”的传播速度为c，地球相对“以太”的运行速度为w，当光速c与地球速度v的方向相同时，则静止在地球上的人观测到该光的速度为c'=c-v；当光速c与地球速度υ的方向相反时，则此人观测到该光的速度为c'=c+v。如果能通过实验测量到这种差别，就能够证明“以太”的存在。
1887年，美国物理学家迈克尔孙（A.Michelson，1852-1931）与莫雷（E.Morley，1838-1923）合作，进行了著名的迈克尔孙一莫雷实验。实验证明，不论地球运动的方向同光的射向一致还是相反，测出的光速都相同，在地球同设想的“以太”之间没有相对运动，找不到“以太”。这一实验没有支持“以太”说。这便是开尔文所说的在物理学晴朗天空远处的一朵令人不安的“乌云”，也反映了牛顿力学的局限性。

二.两条假说
爱因斯坦经过不懈的探索加上非凡的抽象思维能力，最终拨开了物理学天空中令人不安的“乌云”，提出了著名的相对论（relativity）。他于 1905 年提出两个基本假设：
1. 相对性原理（爱因斯坦相对性原理）：
所有物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。
即力学定律从一个惯性系换算到另一个惯性系时，定律的表述形式保持不变。
2. 光速不变原理：
在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速 c 都一样（c = 3×108 m/s）
不管光源与观察者之间的相对运动如何，在任一惯性系中所测得的真空中的光速都是相等的。
相对性原理表明：在某个惯性系中描述某个物理系统的某个物理过程的物理定律，在其他一切惯性系中对该系统该过程作出描述的物理定律皆保持形式不变。例如，在匀速飞行的飞机上观测，上抛小球的运动遵循匀变速直线运动的规律，那么在地面上（或在其他惯性参考系中 ）观测，上抛小球的运动仍遵循同样形式的匀变速直线运动的规律。

光速不变原理表明：在一切惯性系中观测在真空中传播的同一束光，不论沿任何方向，其速度大小都为c，与光源或观察者的运动无关。这一结论实际上已被大量的实验证实。

如图所示，假设在真空环境中，静止在匀速运行列车中的观测者与静立于地面的观测者，测得手电发出的光波的速度大小都是c。

例题1．下列说法中不正确的是( A )
A．只有静止的参照系是惯性系
B．由于在任何惯性系中力学规律都是相同的，
因此,研究力学问题时可以选择任何惯性系
C．在不同的惯性系中，光速都是相同的
D．在一个惯性系内进行任何力学实验都不能判断它是否相对另一个惯性系做匀速直线运动
例2.（多选）牛顿定律能适用于下列哪些情况？( BCD )
A、研究原子中电子的运动
B、研究“神州”五号的高速发射
C、研究地球绕太阳的运动
D、研究飞机从深圳飞往北京的航线