2019-2020年高三物理 第二十三章 相對論簡介 二、時間和空間的相對性(第一課時).doc
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2019-2020年高三物理 第二十三章 相對論簡介 二、時間和空間的相對性(第一課時) ●本節(jié)教材分析 在掌握了同時的相對性后,本節(jié)內(nèi)容仍從兩個基本假設出發(fā),直接導出了時間間隔的相對性.其實同時的相對性是時間相對性的一個表現(xiàn).在同時的相對性基礎上導出了長度的相對性.雖然兩個結(jié)論都是從基本假設推導得出的,并且進行了量化分析,但這些推導并不嚴格,教學時不必在數(shù)量關系上多下功夫,教學的重點仍應放在對結(jié)論的認識和理解上. 時空相對性的實驗驗證的介紹很有必要,使學生明白,建立在假設基礎上的邏輯推理,必須在它的大量結(jié)論都與實驗事實相符時,才能成為理論,這時學生接受相對論的時空觀會有很大幫助. ●教學目標 一、知識目標 1通過推理,知道時間間隔的相對性和長度的相對性. 2通過對兩個結(jié)論的分析認識時間和空間是不能脫離物質(zhì)而單獨存在的. 二、能力目標 1通過時間間隔相對性和長度相對性的推導,培養(yǎng)邏輯推理能力. 2通過建立相對論時空觀,提高學生認識物質(zhì)世界的能力. 三、德育目標 培養(yǎng)學生對邏輯推理形成的結(jié)論要有一個科學的接受態(tài)度. ●教學重點 時間間隔的相對性和長度的相對性. ●教學難點 相對論的時空觀. ●教學方法 在教師的引導下,通過對具體實例的分析,建立模型、形成結(jié)論、形成理論,并在應用中加以鞏固. ●教學用具 投影儀及投影片. ●課時安排 1課時 ●教學過程 一、引入新課 復習引入 [師]上一節(jié)課我們通過狹義相對論的兩個假設導出了同時的相對性.請同學們回憶一下這兩個假設的內(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)這兩個假設,我們得出了同時的相對性,即,在一個參考系中同時發(fā)生的事件,在另一參考系看來是不同時的,同時是相對的. [投影課本圖23—2] [師]甲圖中的觀察者看到光到達前后壁這兩個事件同時發(fā)生,時間間隔為零,而在乙圖中地面上的觀察者看到光到達前后壁這兩個事件不同時發(fā)生,即時間間隔不為零,也就是說在這個例子中,在不同參考系中的時間間隔是相對的.這是一個特例嗎?下面我們從另一個模型來進行簡單的量化分析. 二、新課教學 (一)時間間隔的相對性 [投影課本圖23—5] [師]這是一列高速火車上發(fā)生的兩個事件:光源發(fā)光和光線經(jīng)鏡反射后回到光源位置,設車上的觀察者測得兩事件間隔Δt′時間,地面上的觀察者測得兩事件間隔Δt時間,車廂勻速前進速度為v,車廂高h,請大家動手推導出這兩個觀察者測得的時間間隔. (兩位學生板演,其他同學同時推導) 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 時間Δt′= 時間間隔Δt= 得Δt= [師]大家可以清楚地看出,兩位同學推出的結(jié)論中,時間間隔是不同的.也就是說在兩個參考系中測量的時間是不同的.大家可以找出二者的關系嗎?推一推看. [生]能,Δt= [師]誰大誰???哪一位觀察者感覺時間長? [生]Δt較大,地上的觀察者感覺時間延長了. [師]下面請大家計算一個問題. [投影] 一對孿生兄弟,出生后甲乘高速飛船去旅行,測量出自己飛行30年回到地面上,乙在地面上生活,問甲回來時30歲,乙這時是多少歲?(已知飛船速度v=c) 分析:已知飛船觀察者甲經(jīng)時間Δt′=30年,地面上的觀察者乙經(jīng)過時間為 Δt= =年=60年 可見甲的孿生兄弟已經(jīng)60歲了. 學生興趣盎然,教師引導學生進一步討論激發(fā)學生對高速運動狀態(tài)下的各種過程,例如物理、化學、生命過程變慢進行討論,加深對時間間隔相對性的理解. [師]通過前面的討論我們看到在不同參考系中,時間間隔是相對的. (二)長度的相對性 師:下面我們來討論在不同參考系中測量一個桿的長度結(jié)果會如何. 投影圖23—3, 圖23—3 [師]甲圖中是一個刻度尺測出的靜止的桿的長度,大家看是多少? [生]1.2 m [師]怎么求出的呢? [生]拿B點坐標9.2 m減A點坐標8 m得到的. [師]乙圖中尺仍然靜止,桿水平向右勻速運動,我們應該怎么算桿長? [生]AB長或A′B′長度 [師]其實這里你是用某時刻B、A坐標差值或另一時刻B′、A′坐標差值得到的.如果有人用B′,A的坐標差值算出桿長是9.7 m-8 m=1.7 m顯然是沒有意義的,它不能代表桿的長度.因此我們要測量這一桿長,就必須“同時”讀出桿兩端坐標才行.現(xiàn)在的問題是不同參考系中“同時是相對的”. [師]請大家看課本圖23—6,地面上的人看到桿的A、B兩端發(fā)出的光同時到達它的眼睛,他讀出B、A的坐標之差為l,即地上的觀察者測到的桿長.請大家考慮車上的觀察者是同時看到B、A兩端的閃光嗎? [生]不是同時看到,他看到B端先發(fā)出光,而A端后發(fā)出光. [師]那他認為地上的人觀測的長度就是投影圖(圖23—3)中的B、A′間距,地上觀察者讀短了.因此車上觀察者測量的長度l′比地上觀察者測量的長度l長,即l>l′.正是因為同時的相對性導致了長度的相對性. [師]嚴格的數(shù)學推導告訴我們l′和l之間有如下關系: l=l′ 由式可見總有l(wèi)<l′. 一個桿,當它沿自身方向相對于測量者運動時,測量者的測量結(jié)果如何? [生]變短了. [師]若桿沿著垂直自身方向相對測量者運動呢? [生]應該一樣. [師]如果一個人在地上量好一根靜止桿的長度是l,他將這根桿帶到以0.5c速度運動的飛船上,坐在飛船上測量這根桿的長度又是多少? 生:應該是L,可以從公式l=l′求出. [師]大家看對嗎? (少數(shù)人贊同,多數(shù)人沉默)教師引導學生討論,強調(diào)參考系的相對運動是長度縮短的原因,即觀察者與被測物間的相對運動才是長度縮短的原因,進而否定上述答案,得到桿長仍為l的結(jié)果還可發(fā)揮學生想像力,鼓勵學生想象高速運動下的長度變化,加深對長度相對性的理解. (三)時空相對性的實驗驗證 [師]請同學們不要忘記,時空相對性的奇妙圖景都是在兩個“假設”的基礎上推出的,它必須接受實驗的檢驗,否則永遠是猜想.大家有什么好的辦法嗎? [生]設法造出高速運動的飛船或火車. [師]目前我們還沒有辦法實現(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 這段時間位移應為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地面,而我們卻在地面找到了這 100 km 高處的來客,請大家分析原因. [生]因為μ子高速運動時的自身存在時間Δt′總是大于地面觀察到的時間Δt,也就是它的壽命變長了. [師]很好,大家再從長度相對性角度考慮解釋. [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,實驗結(jié)果與理論符合得很好. (四)相對論的時空觀 [師]下面我們來看看經(jīng)典物理學的時空觀與相對論時空觀的差異. [投影下面表格] 經(jīng)典時空觀 相對論時空觀 時間 天然存在;一分一秒地流逝;與物質(zhì)運動無關 與物質(zhì)存在與否及運動狀態(tài)有關 空間 一個大盒子;物質(zhì)運動的場所 與物質(zhì)存在與否及運動狀態(tài)有關 聯(lián)系 二者脫離,沒有聯(lián)系,獨立存在 物質(zhì)、時間、空間是緊密聯(lián)系的統(tǒng)一體 適用范圍 低速運動物體遵循經(jīng)典物理學規(guī)律 更有普遍意義,廣泛適用 三、小結(jié) 本節(jié)課我們 1通過兩個基本假設,推導出了 (1)時間間隔在不同參考系中是相對的. (2)長度在不同參考系中是相對的. 2通過對微觀粒子探測和宏觀實驗驗證分析掌握了時空相對性的證據(jù). 3通過比較認識了經(jīng)典物理學和相對論時空觀的不同. 四、布置作業(yè) 1練習二(1)、(2)、(3) 2建立課外閱讀《物理學的進化》《狹義與廣義相對論淺說》《時間簡史》等書籍,做一些讀書筆記. 五、板書設計 (一)時間間隔的相對性 學生板書推導過程 (二)長度的相對性 測長度的方法 “同時”測出兩端坐標 l=l′(l′火車上人測出的長度,l地面上人測出的長度) (三)時空相對性的實驗驗證 宇宙射線中μ子的探測. 銫原子鐘環(huán)球飛行實驗. (四)相對論時空觀(參見表) 六、本節(jié)優(yōu)化訓練設計 1.甲在接近光速的火車上看乙手中沿火車前進方向放置的尺,同時乙在地面上看甲手中沿火車前進方向放置的尺.則下列說法正確的是 A.甲看到乙手中的尺長比乙看到自己手中的尺長度大 B.甲看到乙手中的尺長度比乙看到自己手中的尺長度小 C.乙看到甲手中的尺長度比甲看到自己手中尺的長度大 D.乙看到甲手中的尺長度比甲看到自己手中尺的長度小 2.一長桿在車廂中靜止,桿與車廂前進的方向平行,在車廂中測得桿長為1.0 m,車廂以41.7 m/s的速率行駛(相當于150 km/h)求在地面上測得的桿長. 3.設想在人類的將來實現(xiàn)了恒星際航行,即將火箭發(fā)射到鄰近的恒星上去,火箭相對于日心—恒星坐標系的速率為v=0.8c,火箭中靜止放置長度為1.0 m的桿,桿與火箭方向平行,求在日心—恒星坐標系中測得的桿長. 4.1947年,在用乳膠研究高空宇宙射線時,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,它帶有一個電子電量的正電荷或負電荷,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π介子以0.9c速率運動,求從實驗室參考系觀測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- 配套講稿:
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