2019-2020年高三物理 第二十三章 相對(duì)論簡(jiǎn)介 二、時(shí)間和空間的相對(duì)性(第一課時(shí)).doc
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2019-2020年高三物理 第二十三章 相對(duì)論簡(jiǎn)介 二、時(shí)間和空間的相對(duì)性(第一課時(shí)) ●本節(jié)教材分析 在掌握了同時(shí)的相對(duì)性后,本節(jié)內(nèi)容仍從兩個(gè)基本假設(shè)出發(fā),直接導(dǎo)出了時(shí)間間隔的相對(duì)性.其實(shí)同時(shí)的相對(duì)性是時(shí)間相對(duì)性的一個(gè)表現(xiàn).在同時(shí)的相對(duì)性基礎(chǔ)上導(dǎo)出了長(zhǎng)度的相對(duì)性.雖然兩個(gè)結(jié)論都是從基本假設(shè)推導(dǎo)得出的,并且進(jìn)行了量化分析,但這些推導(dǎo)并不嚴(yán)格,教學(xué)時(shí)不必在數(shù)量關(guān)系上多下功夫,教學(xué)的重點(diǎn)仍應(yīng)放在對(duì)結(jié)論的認(rèn)識(shí)和理解上. 時(shí)空相對(duì)性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的介紹很有必要,使學(xué)生明白,建立在假設(shè)基礎(chǔ)上的邏輯推理,必須在它的大量結(jié)論都與實(shí)驗(yàn)事實(shí)相符時(shí),才能成為理論,這時(shí)學(xué)生接受相對(duì)論的時(shí)空觀會(huì)有很大幫助. ●教學(xué)目標(biāo) 一、知識(shí)目標(biāo) 1通過推理,知道時(shí)間間隔的相對(duì)性和長(zhǎng)度的相對(duì)性. 2通過對(duì)兩個(gè)結(jié)論的分析認(rèn)識(shí)時(shí)間和空間是不能脫離物質(zhì)而單獨(dú)存在的. 二、能力目標(biāo) 1通過時(shí)間間隔相對(duì)性和長(zhǎng)度相對(duì)性的推導(dǎo),培養(yǎng)邏輯推理能力. 2通過建立相對(duì)論時(shí)空觀,提高學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的能力. 三、德育目標(biāo) 培養(yǎng)學(xué)生對(duì)邏輯推理形成的結(jié)論要有一個(gè)科學(xué)的接受態(tài)度. ●教學(xué)重點(diǎn) 時(shí)間間隔的相對(duì)性和長(zhǎng)度的相對(duì)性. ●教學(xué)難點(diǎn) 相對(duì)論的時(shí)空觀. ●教學(xué)方法 在教師的引導(dǎo)下,通過對(duì)具體實(shí)例的分析,建立模型、形成結(jié)論、形成理論,并在應(yīng)用中加以鞏固. ●教學(xué)用具 投影儀及投影片. ●課時(shí)安排 1課時(shí) ●教學(xué)過程 一、引入新課 復(fù)習(xí)引入 [師]上一節(jié)課我們通過狹義相對(duì)論的兩個(gè)假設(shè)導(dǎo)出了同時(shí)的相對(duì)性.請(qǐng)同學(xué)們回憶一下這兩個(gè)假設(shè)的內(nèi)容. [生]在不同慣性參照系中,一切物理規(guī)律都是相同的;真空中的光速在不同慣性系中都是相同的. [師]根據(jù)這兩個(gè)假設(shè),我們得出了同時(shí)的相對(duì)性,即,在一個(gè)參考系中同時(shí)發(fā)生的事件,在另一參考系看來是不同時(shí)的,同時(shí)是相對(duì)的. [投影課本圖23—2] [師]甲圖中的觀察者看到光到達(dá)前后壁這兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生,時(shí)間間隔為零,而在乙圖中地面上的觀察者看到光到達(dá)前后壁這兩個(gè)事件不同時(shí)發(fā)生,即時(shí)間間隔不為零,也就是說在這個(gè)例子中,在不同參考系中的時(shí)間間隔是相對(duì)的.這是一個(gè)特例嗎?下面我們從另一個(gè)模型來進(jìn)行簡(jiǎn)單的量化分析. 二、新課教學(xué) (一)時(shí)間間隔的相對(duì)性 [投影課本圖23—5] [師]這是一列高速火車上發(fā)生的兩個(gè)事件:光源發(fā)光和光線經(jīng)鏡反射后回到光源位置,設(shè)車上的觀察者測(cè)得兩事件間隔Δt′時(shí)間,地面上的觀察者測(cè)得兩事件間隔Δt時(shí)間,車廂勻速前進(jìn)速度為v,車廂高h(yuǎn),請(qǐng)大家動(dòng)手推導(dǎo)出這兩個(gè)觀察者測(cè)得的時(shí)間間隔. (兩位學(xué)生板演,其他同學(xué)同時(shí)推導(dǎo)) 生1: 生2: 甲圖中 光線水平路程vΔt 光線路程s1=2h 豎直路程2h 速度c 總路程s2()2=())2+h2 時(shí)間Δt′= 時(shí)間間隔Δt= 得Δt= [師]大家可以清楚地看出,兩位同學(xué)推出的結(jié)論中,時(shí)間間隔是不同的.也就是說在兩個(gè)參考系中測(cè)量的時(shí)間是不同的.大家可以找出二者的關(guān)系嗎?推一推看. [生]能,Δt= [師]誰大誰???哪一位觀察者感覺時(shí)間長(zhǎng)? [生]Δt較大,地上的觀察者感覺時(shí)間延長(zhǎng)了. [師]下面請(qǐng)大家計(jì)算一個(gè)問題. [投影] 一對(duì)孿生兄弟,出生后甲乘高速飛船去旅行,測(cè)量出自己飛行30年回到地面上,乙在地面上生活,問甲回來時(shí)30歲,乙這時(shí)是多少歲?(已知飛船速度v=c) 分析:已知飛船觀察者甲經(jīng)時(shí)間Δt′=30年,地面上的觀察者乙經(jīng)過時(shí)間為 Δt= =年=60年 可見甲的孿生兄弟已經(jīng)60歲了. 學(xué)生興趣盎然,教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步討論激發(fā)學(xué)生對(duì)高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的各種過程,例如物理、化學(xué)、生命過程變慢進(jìn)行討論,加深對(duì)時(shí)間間隔相對(duì)性的理解. [師]通過前面的討論我們看到在不同參考系中,時(shí)間間隔是相對(duì)的. (二)長(zhǎng)度的相對(duì)性 師:下面我們來討論在不同參考系中測(cè)量一個(gè)桿的長(zhǎng)度結(jié)果會(huì)如何. 投影圖23—3, 圖23—3 [師]甲圖中是一個(gè)刻度尺測(cè)出的靜止的桿的長(zhǎng)度,大家看是多少? [生]1.2 m [師]怎么求出的呢? [生]拿B點(diǎn)坐標(biāo)9.2 m減A點(diǎn)坐標(biāo)8 m得到的. [師]乙圖中尺仍然靜止,桿水平向右勻速運(yùn)動(dòng),我們應(yīng)該怎么算桿長(zhǎng)? [生]AB長(zhǎng)或A′B′長(zhǎng)度 [師]其實(shí)這里你是用某時(shí)刻B、A坐標(biāo)差值或另一時(shí)刻B′、A′坐標(biāo)差值得到的.如果有人用B′,A的坐標(biāo)差值算出桿長(zhǎng)是9.7 m-8 m=1.7 m顯然是沒有意義的,它不能代表?xiàng)U的長(zhǎng)度.因此我們要測(cè)量這一桿長(zhǎng),就必須“同時(shí)”讀出桿兩端坐標(biāo)才行.現(xiàn)在的問題是不同參考系中“同時(shí)是相對(duì)的”. [師]請(qǐng)大家看課本圖23—6,地面上的人看到桿的A、B兩端發(fā)出的光同時(shí)到達(dá)它的眼睛,他讀出B、A的坐標(biāo)之差為l,即地上的觀察者測(cè)到的桿長(zhǎng).請(qǐng)大家考慮車上的觀察者是同時(shí)看到B、A兩端的閃光嗎? [生]不是同時(shí)看到,他看到B端先發(fā)出光,而A端后發(fā)出光. [師]那他認(rèn)為地上的人觀測(cè)的長(zhǎng)度就是投影圖(圖23—3)中的B、A′間距,地上觀察者讀短了.因此車上觀察者測(cè)量的長(zhǎng)度l′比地上觀察者測(cè)量的長(zhǎng)度l長(zhǎng),即l>l′.正是因?yàn)橥瑫r(shí)的相對(duì)性導(dǎo)致了長(zhǎng)度的相對(duì)性. [師]嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)告訴我們l′和l之間有如下關(guān)系: l=l′ 由式可見總有l(wèi)<l′. 一個(gè)桿,當(dāng)它沿自身方向相對(duì)于測(cè)量者運(yùn)動(dòng)時(shí),測(cè)量者的測(cè)量結(jié)果如何? [生]變短了. [師]若桿沿著垂直自身方向相對(duì)測(cè)量者運(yùn)動(dòng)呢? [生]應(yīng)該一樣. [師]如果一個(gè)人在地上量好一根靜止桿的長(zhǎng)度是l,他將這根桿帶到以0.5c速度運(yùn)動(dòng)的飛船上,坐在飛船上測(cè)量這根桿的長(zhǎng)度又是多少? 生:應(yīng)該是L,可以從公式l=l′求出. [師]大家看對(duì)嗎? (少數(shù)人贊同,多數(shù)人沉默)教師引導(dǎo)學(xué)生討論,強(qiáng)調(diào)參考系的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是長(zhǎng)度縮短的原因,即觀察者與被測(cè)物間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)才是長(zhǎng)度縮短的原因,進(jìn)而否定上述答案,得到桿長(zhǎng)仍為l的結(jié)果還可發(fā)揮學(xué)生想像力,鼓勵(lì)學(xué)生想象高速運(yùn)動(dòng)下的長(zhǎng)度變化,加深對(duì)長(zhǎng)度相對(duì)性的理解. (三)時(shí)空相對(duì)性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 [師]請(qǐng)同學(xué)們不要忘記,時(shí)空相對(duì)性的奇妙圖景都是在兩個(gè)“假設(shè)”的基礎(chǔ)上推出的,它必須接受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn),否則永遠(yuǎn)是猜想.大家有什么好的辦法嗎? [生]設(shè)法造出高速運(yùn)動(dòng)的飛船或火車. [師]目前我們還沒有辦法實(shí)現(xiàn)這樣高的速度的宏觀火車或飛船,但在微觀世界,這樣的高速是普遍存在的,宇宙射線中的μ子的行為為我們提供了有力的證據(jù). 壽命3.0μs 速度0.99c 這段時(shí)間位移應(yīng)為s=vt≈0.991083.03.010-6 m≈890 m 這樣,它在100 km高的大氣層上方根本不可能到達(dá)地面,而我們卻在地面找到了這 100 km 高處的來客,請(qǐng)大家分析原因. [生]因?yàn)棣套痈咚龠\(yùn)動(dòng)時(shí)的自身存在時(shí)間Δt′總是大于地面觀察到的時(shí)間Δt,也就是它的壽命變長(zhǎng)了. [師]很好,大家再?gòu)拈L(zhǎng)度相對(duì)性角度考慮解釋. [生]在μ子看來,這100 km厚的大氣層被變短了,在它的眼里只有890 m,它能成功穿越. [師]宏觀的證據(jù)是1971年的銫原子鐘的環(huán)球飛行,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論符合得很好. (四)相對(duì)論的時(shí)空觀 [師]下面我們來看看經(jīng)典物理學(xué)的時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀的差異. [投影下面表格] 經(jīng)典時(shí)空觀 相對(duì)論時(shí)空觀 時(shí)間 天然存在;一分一秒地流逝;與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)無關(guān) 與物質(zhì)存在與否及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān) 空間 一個(gè)大盒子;物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)所 與物質(zhì)存在與否及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān) 聯(lián)系 二者脫離,沒有聯(lián)系,獨(dú)立存在 物質(zhì)、時(shí)間、空間是緊密聯(lián)系的統(tǒng)一體 適用范圍 低速運(yùn)動(dòng)物體遵循經(jīng)典物理學(xué)規(guī)律 更有普遍意義,廣泛適用 三、小結(jié) 本節(jié)課我們 1通過兩個(gè)基本假設(shè),推導(dǎo)出了 (1)時(shí)間間隔在不同參考系中是相對(duì)的. (2)長(zhǎng)度在不同參考系中是相對(duì)的. 2通過對(duì)微觀粒子探測(cè)和宏觀實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析掌握了時(shí)空相對(duì)性的證據(jù). 3通過比較認(rèn)識(shí)了經(jīng)典物理學(xué)和相對(duì)論時(shí)空觀的不同. 四、布置作業(yè) 1練習(xí)二(1)、(2)、(3) 2建立課外閱讀《物理學(xué)的進(jìn)化》《狹義與廣義相對(duì)論淺說》《時(shí)間簡(jiǎn)史》等書籍,做一些讀書筆記. 五、板書設(shè)計(jì) (一)時(shí)間間隔的相對(duì)性 學(xué)生板書推導(dǎo)過程 (二)長(zhǎng)度的相對(duì)性 測(cè)長(zhǎng)度的方法 “同時(shí)”測(cè)出兩端坐標(biāo) l=l′(l′火車上人測(cè)出的長(zhǎng)度,l地面上人測(cè)出的長(zhǎng)度) (三)時(shí)空相對(duì)性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 宇宙射線中μ子的探測(cè). 銫原子鐘環(huán)球飛行實(shí)驗(yàn). (四)相對(duì)論時(shí)空觀(參見表) 六、本節(jié)優(yōu)化訓(xùn)練設(shè)計(jì) 1.甲在接近光速的火車上看乙手中沿火車前進(jìn)方向放置的尺,同時(shí)乙在地面上看甲手中沿火車前進(jìn)方向放置的尺.則下列說法正確的是 A.甲看到乙手中的尺長(zhǎng)比乙看到自己手中的尺長(zhǎng)度大 B.甲看到乙手中的尺長(zhǎng)度比乙看到自己手中的尺長(zhǎng)度小 C.乙看到甲手中的尺長(zhǎng)度比甲看到自己手中尺的長(zhǎng)度大 D.乙看到甲手中的尺長(zhǎng)度比甲看到自己手中尺的長(zhǎng)度小 2.一長(zhǎng)桿在車廂中靜止,桿與車廂前進(jìn)的方向平行,在車廂中測(cè)得桿長(zhǎng)為1.0 m,車廂以41.7 m/s的速率行駛(相當(dāng)于150 km/h)求在地面上測(cè)得的桿長(zhǎng). 3.設(shè)想在人類的將來實(shí)現(xiàn)了恒星際航行,即將火箭發(fā)射到鄰近的恒星上去,火箭相對(duì)于日心—恒星坐標(biāo)系的速率為v=0.8c,火箭中靜止放置長(zhǎng)度為1.0 m的桿,桿與火箭方向平行,求在日心—恒星坐標(biāo)系中測(cè)得的桿長(zhǎng). 4.1947年,在用乳膠研究高空宇宙射線時(shí),發(fā)現(xiàn)了一種不穩(wěn)定的基本粒子,稱作介子,質(zhì)量約為電子質(zhì)量的273.27倍,它帶有一個(gè)電子電量的正電荷或負(fù)電荷,稱作π+或π-.若參考系中π介子處于靜止,它們的平均壽命為π=2.5610-8 s,設(shè)π介子以0.9c速率運(yùn)動(dòng),求從實(shí)驗(yàn)室參考系觀測(cè)到該粒子的平均壽命. 參考答案:1.BD 2.約為(1-9.710-15) m 3.0.6 m 4.5.8710-8 s- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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