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1、2022年高中物理 《狹義相對論的基本原理》教案 滬科版選修3-4 【教學目標】 一、知識與技能 1、 了解狹義相對論的兩個基本公設，并初步了解愛因斯坦對時空的新認識。 2、 知道伽利略變換與洛倫茲變換反映的時空觀的不同。 3、 理解同時的相對性 二、過程與方法 1、通過學習愛因斯坦提出兩條假設的過程，理解實驗對理論的重要作用以及愛因斯坦的時空觀。 2、通過兩條假設理解同時的相對性，加深對相對論時空觀的理解。 三、情感態(tài)度與價值觀 （1）理解相對論的時空觀，體會相對論的建立對人類認識世界的影響。 （2）學會辯證地看待經典物理理論和相對論。 【

2、學情分析】 學習已經了建立狹義相對論中光速不變的實驗基礎，以及愛因斯坦的探索發(fā)現(xiàn)，因此學習狹義相對論的兩條公設，已成順理成章的事情。不過學習的重點和難點在于隨兩條公設的提出而帶來的時空觀的變化。 【教學思路】 因此本節(jié)教學應注意與上節(jié)知識的銜接，重視思維邏輯的連貫性，逐步建立新結論。學生在思維中有很容易回到經典時空觀上去將新舊時空觀混為一談，教學中應注意強調區(qū)別。 【教學重點、難點】 1、 狹義相對論的兩個基本公設 2、 愛因斯坦的時空觀——相對論時空觀 【教學方法】 問題式討論和講授。 【教學過程】 一、 引入新課： 通過上節(jié)課的學習，我們知道：光速是與參考系無關的常量

3、；經典物理學中的速度變換關系對電磁規(guī)律不適用，等。 對這些問題，許多物理學家試圖通過在經典物理學內進行修補，仍無法解決上述矛盾。 而愛因斯坦發(fā)現(xiàn)問題的癥結在于經典物理學的時空觀，因此他擯棄了經典物理學的時空觀，根據(jù)實驗事實提出了狹義相對論的兩條公設，用理論研究的方法得到了狹義相對論的全部結論，當然狹義相對論建立了一種新的時空觀。我們下面看看愛因斯坦是怎樣思考的。 二、 新課教學 狹義相對論的兩條公設 1、 伽利略變換 設開始時慣性系S′（O′-x′y′z′） 相對慣性系S（O-xyz）完全重合， S′ 系相對S系以速度v沿x軸正方向運動。由伽利略變換: （1）

4、 （位置坐標變換） 可得： (2) (速度變換) （3） （加速度變換） 此式表明：從不同得慣性系所觀察到的同一質點的加速度是相同的，或說成：物體的加速度對伽利略變換是不變的。 進一步可知，牛頓第二定律對伽利略變換是不變的。它反映的時空觀是——絕對時空觀：時間和空間都是絕對的，彼此無關。 但是將這個原理推廣到與光速有關的問題中，就產生了無法解決的矛盾：按照經典力學的速度合成法則（伽利略速度變換公式），光速在不同的慣性系中可能

5、會超過或小于3×105km/s ，然而大量事實證明光的傳播速度與光源的運動情況無關，光在任何慣性系中都是不變的。 2、 愛因斯坦認為空間和時間是統(tǒng)一的相互聯(lián)系的，不可分離的。 3、 愛因斯坦提出兩條公設： （1）在所有相互做勻速直線運動的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的。 （2）在所有相互做勻速直線運動的慣性參考系中，光在真空中的傳播速度都等于c，跟光源的運動無關。 公設（1）通常叫做愛因斯坦相對性原理。 公設（2）通常叫做光速不變原理。 在絕對時空觀看來，這兩條假設的確是矛盾的。因此必須拋棄絕對時間、絕對空間的觀念。 洛倫茲變換 設開

6、始時慣性系S′ 相對慣性系S完全重合，S′ 以速度相對S以v沿x軸正方向運動。 洛倫茲變換為 這個變換關系反映出來的時空觀念是：時間、空間都與物質的運動有著不可分割的聯(lián)系，而且時間與空間之間也有一定的內在聯(lián)系。這就是相對論的時空觀：時空的相對性。 同時可以看到，當v<

7、 2、 同時的相對性的理解 如圖一列車以很快的速度v沿平直的鐵路運動。 設想某節(jié)車廂內處于正中間位置有一位觀察者A和一臺閃光器S，車廂頭和車廂尾各有一個光接收器P和Q。 地面站臺上有一個觀察者B如右圖所示。在列車駛過站臺A、B兩個觀察者相遇的瞬間閃光器發(fā)出閃光，此后P、Q兩接收器分別接收到閃光，這便是兩個事件（設P接收到閃光為事件1，Q接收到閃光為事件2）。 1) 在狹義相對論看來，同時是相對的 A會觀測到1、2兩事件同時發(fā)生。因為在A看來，光相對車的速度為c，無論向前還是向后傳，而P、Q到S的距離相同。設這個時間為t′。 但是在B看來就不一樣了，B認為光相對車的速度為c，光相對

8、地面的速度也是c，無論向前還是向后傳（光速不變原理），而從發(fā)出閃光到1、2事件分別發(fā)生，P、Q均會向前運動一段距離，也就是說向前傳播的光所經過的距離要大于向后傳播的光所經過的距離；因此B將會觀測到：Q先接收到光，P后接收到光，所用時間計算如下： ， 即tQ< tP，即事件2先發(fā)生，事件1后發(fā)生，即事件1、2并不同時發(fā)生。 2) 但在經典物理學看來，同時是卻絕對的 A仍然會觀測到1、2兩事件同時發(fā)生。他認為光相對他的速度是c，光源到PQ又距離相等，所以兩束光將同時到達PQ。 而B認為光速c是相對地面的，由伽利略變換可以計算兩束光到達PQ各用多長的時間：

9、 tP(c+v)=x′+vtP 可得 tP= tQ(c-v)=x′-vtQ 可得 tQ= 顯然，tP= tQ，即兩束光仍將同時到達PQ。這就是經典物理學中同時的絕對性。 三、 學生閱讀P．108 【多學一點】 《相對論的速度變換公式》 車對地的速度為v，人對車的速度為u′ 地面上的人看到車上人相對地面的速度為u ， 則有 如果車上人運動方向與火車運動方向相同，u′ 取正值 如果車上人運動方向與火車運動方向相反，u′ 取負值 老師在學生閱讀后，對教材中的公式做必要的說明，幫助學生理解。 四、 典

10、型例題 【例題1】愛因斯坦相對性原理與光速不變原理有無矛盾？為什么？ 【解析】從光速不變原理的內容看，“光在真空中的速度都是相同的”，這正好體現(xiàn)了“在所有相互做勻速直線運動的慣性參考系中一切物理規(guī)律都是相同的”——愛因斯坦相對性原理。因此我們說這兩條原理并不矛盾。 【例題2】在狹義相對論中，下列說法正確的有（??? ） ??? A. 一切運動物體相對于觀察者的速度都不能大于真空中的光速 ??? B. 質量、長度的測量結果都與物體相對觀察者的相對運動狀態(tài)有關 ??? C. 時間的測量結果與物體相對觀察者的運動狀態(tài)無關 ??? D. 在某一慣性系中發(fā)生于同一時刻、不同

11、地點的兩個事件，在其他一切慣性系中也是同時發(fā)生的 【解析】根據(jù)狹義相對論，光速是速度的極限值，所以A正確；根據(jù)狹義相對論，長度、質量、時間間隔都與運動狀態(tài)有關，且都給出了具體的速度公式，所以B對，C錯；同時是相對的，D錯。正確選項為A、B。 答案： AB?? 五、 課堂小結 本節(jié)主要學習了： 1、 狹義相對論的兩個基本公設：光速不變原理和愛因斯坦相對性原理 2、 洛倫茲變換： 3、 狹義相對論的時空觀：空間和時間是統(tǒng)一的相互聯(lián)系的，不可分離的。 4、 同時的相對性： 在一個慣性系中的觀察者觀測到兩個事件是同時發(fā)生的，那么在另一個慣性系中的觀察者可能觀測到這兩個事件不是同時發(fā)生的。 即同時是相對的，跟觀察者選取的參考系有關。 六、 家庭作業(yè)與活動 思考與練習：P.108 〖家庭作業(yè)與活動〗1、2、3