2022年高中物理 《奇特的相對論效應》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》教案 滬科版選修3-4 【教學目標】 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、了解運動物體質量與與運動速度的關系； 4、了解愛因斯坦質能關系； 5、了解相對論時空觀的深刻變革。 二、過程與方法： 讓學生通過狹義相對論的時空觀下，一系列物理規(guī)律與經典物理學中相關規(guī)律的區(qū)別及關系，使學生認識到自洽性檢驗是科學理論研究的一個基本方法。 三、情感態(tài)度和價值觀： 使學生認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；而經典物理學的規(guī)律是相對論相關規(guī)律在

2、低速情況下的特例；體會物理學中蘊含的簡單與和諧之美（質能方程等）。 【學情分析】 學生通過前面的學習已經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，學習本節(jié)知識實際上是前邊知識的擴展和延伸，學生學習仍有相當大的難度。但是已經具備了學習本節(jié)知識的基礎準備。 【教學思路】 立足新的時空觀——愛因斯坦時空觀，即狹義相對論的時空觀，利用已有知識推導理解新結論，建立新的概念和規(guī)律；把相對論中的規(guī)律與經典物理學中的相應規(guī)律進行對比，理解新的觀念和規(guī)律。 【教學重點】 介紹狹義相對論的時空觀下，得到的一些新的結論。通過介紹，使學生對狹義相對論有一個較為全面的了解。 【

3、教學難點】 得到新結論的過程，以及對新結論的意義理解。 【教學方法】 探究式講授法、討論和練習。 【教學過程】 一、 引入新課 復習：1、狹義相對論的兩個基本公設是什么？ 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？ 在學生思考討論回答之后，將正確的結論通過多媒體進行展示。 引入新課：提出時鐘延緩的相關情境和問題： 假設慣性系X′ 以速度v相對慣性系X運動 設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行的時間Δt與Δt′ 相等嗎？Δt與Δt′ 有什么關系呢？ 運動時鐘延緩 探究Δt與Δt′ 有什么關系（利用洛倫茲變換進行推導）： 設在慣性系X中，觀測到該物理過程開始和結束的時刻分別為t2和t1，則Δt= t2－t1， 利用洛倫茲變換可知t1 與t′1關系以及t2與 t′2的關系為 和 所以有 表達式的意義： 如果在慣性系X′ 中測量某一物理過程經歷的時間為?τ，則在慣性系X中測量的這一過程經歷的時間?t總要長一些。?t與?t′ 的關系為： 這種效應簡稱為“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′ 的關系為 表達式的意義：在慣性系X中測量的棒的長度l總要短一些。l與l′ 的關系為： 這種效應簡稱為“尺縮效應”。 在v<

7、量m0的關系為 （此式不用推導，直接給學生，但應告訴學生這個公式仍然是由狹義相對論的基本原理得到的） 表達式的意義：運動物體的質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量變化是相對應的。能量的變化?E質量變化?m的關系為 ?E=?mc2。在核反應中我們將應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，相對論時空觀與經典物理學的絕對時空觀的區(qū)別主要有： 1、狹義相對論的時空觀把原來認為毫無聯(lián)系的時間、空間和物質的運動密切聯(lián)系起來了揭示了它們之間的依賴關系。而絕對時空觀則把空間看成是“與外界任何事物無關”的空架子；把時間看成是“與外界任何事物無關地流逝著”的河流；且空間和時間都具有絕對的意義。 概括起來就是： 絕對時空觀認為，時間和空間是

9、相互獨立的、互不相關的連續(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為，時間和空間存在著內在的不可分割的聯(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世紀物理學偉大的成就之一。它引發(fā)了物理學史上一次深刻的變革，成為近代物理學的兩大支柱之一（另一大支柱是量子力學）。同時狹義相對論使人類對物質世界的認識發(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 又根據尺縮效應公式知 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，試利用質能方程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v很小時，即時，根據數(shù)學公式有： 　 故 這又一次說明了牛頓力學是相對論力學在v<