高中物理4《相對(duì)論簡(jiǎn)介》-課件

高中物理選修3-4《第十五章相對(duì)論簡(jiǎn)介》教學(xué)設(shè)計(jì)與教學(xué)建議南師附中王峰主要內(nèi)容：一、教材編寫意圖二、教材概述三、教學(xué)設(shè)計(jì)與建議一、教材編寫意圖（一）講述近代物理知識(shí)，體現(xiàn)時(shí)代特征－>（二）再現(xiàn)規(guī)律探索歷程，體會(huì)科學(xué)精神1、明確物理理論的發(fā)展離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)2、領(lǐng)會(huì)物理科學(xué)理論發(fā)展的必然性3、感受相對(duì)論看世界的嶄新時(shí)空觀4、認(rèn)識(shí)在宇宙中人類的渺小和科學(xué)的巨大力量二、教材概述1、知識(shí)框架2、課時(shí)分配建議第一單元相對(duì)論的誕生1課時(shí)時(shí)間和空間的相對(duì)性2課時(shí)狹義相對(duì)論的其他結(jié)論1課時(shí)第二單元廣義相對(duì)論簡(jiǎn)介1課時(shí)第三單元課題研究共2課時(shí)課題研究（一）愛(ài)因斯坦的貢獻(xiàn)課題研究（二）方興未艾的宇宙學(xué)課題研究（三）有趣的相對(duì)論佯謬課題研究（四）黑洞的研究

三、教學(xué)設(shè)計(jì)與建議江蘇省物理課程標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)要求[課程目標(biāo)]知道狹義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)、基本原理和主要結(jié)論。了解經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀的主要區(qū)別。體會(huì)相對(duì)論的建立對(duì)人類認(rèn)識(shí)世界的影響。初步了解廣義相對(duì)論的幾個(gè)主要觀點(diǎn)和主要觀測(cè)證據(jù)。關(guān)注宇宙學(xué)研究的新進(jìn)展。[學(xué)習(xí)要求]……所有公式都只作定性要求，不求定量計(jì)算。[教學(xué)建議]1.閱讀有關(guān)相對(duì)論的科普書刊，舉辦小型討論會(huì)。2.觀看有關(guān)宇宙起源的影片，了解宇宙演化與發(fā)展。第一課時(shí)相對(duì)論的誕生【教學(xué)目標(biāo)】：知識(shí)與技能：（1）了解相對(duì)論誕生的歷史背景，知道麥克耳孫一莫雷實(shí)驗(yàn)（2）了解經(jīng)典的相對(duì)性原理以及與電磁規(guī)律之間的矛盾（3）知道狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)過(guò)程與方法：

（1）了解對(duì)經(jīng)典物理學(xué)內(nèi)部矛盾的探索過(guò)程（2）理解愛(ài)因斯坦建立相對(duì)論的科學(xué)探究思想和邏輯推理方法情感態(tài)度價(jià)值觀：（1）明確物理理論的發(fā)展的基礎(chǔ)——實(shí)驗(yàn)【教學(xué)建議】（1）介紹相對(duì)論誕生的歷史背景①以太的研究（魯科版較詳細(xì)）②光速的測(cè)量——斐索光速測(cè)定利用齒輪擋光法測(cè)光速齒輪③邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理圖

實(shí)驗(yàn)干涉條紋（2）了解經(jīng)典的相對(duì)性原理①運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性中國(guó)古代研究：《尚書緯．考靈曜》“地恒動(dòng)而人不知，譬如閉舟而行不覺(jué)舟之運(yùn)也?！?/p>

②伽里略相對(duì)性原理《關(guān)于兩種世界體系的對(duì)話》：“理想船實(shí)驗(yàn)”伽里略速度變換公式：③牛頓力學(xué)的不變性：（3）知道相對(duì)性原理與電磁規(guī)律之間的矛盾麥克斯韋電磁理論的困難：光是電磁波，波速c應(yīng)與參考系無(wú)關(guān)。但是，根據(jù)相對(duì)性原理，不同參考系波速不同。矛盾激發(fā)：“在不同的慣性系中光速不同”——“任何參考系中光速度都應(yīng)該是同一數(shù)值”，（4）知道狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理：①相對(duì)性原理一切物理定律，在不同的慣性系中是相同的②光速不變?cè)砉庠谡婵罩械膫鞑ニ俣仍诓煌膽T性系中測(cè)得的數(shù)值都是相同的第二、三課時(shí)時(shí)間和空間的相對(duì)性【教學(xué)目標(biāo)】：知識(shí)與技能：（1）同時(shí)的相對(duì)性（2）運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度的收縮（3）時(shí)間間隔的相對(duì)（4）了解時(shí)空相對(duì)性的驗(yàn)證（5）了解相對(duì)論時(shí)空觀與經(jīng)典物理時(shí)空觀主要區(qū)別過(guò)程與方法：（1）理解同時(shí)相對(duì)性的推演過(guò)程（2）理解從“同時(shí)相對(duì)性”出發(fā)得出“運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度和時(shí)間間隔的相對(duì)性”的過(guò)程情感態(tài)度和價(jià)值觀：（1）體會(huì)相對(duì)論嶄新的時(shí)空觀，體會(huì)相對(duì)論的建立對(duì)人類認(rèn)識(shí)世界的影響。（2）辯證地看待經(jīng)典物理理論【教學(xué)建議】(1)講清“同時(shí)”的相對(duì)性－>

－>情況1：對(duì)于運(yùn)動(dòng)的火車上同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，對(duì)于地面就不是同時(shí)的講解關(guān)鍵：在各個(gè)參考系中光速都為c

情況2：地面上同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，對(duì)于運(yùn)動(dòng)的火車也不是同時(shí)的（利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理）(2)長(zhǎng)度的相對(duì)性->

v車上的人看到的車廂的長(zhǎng)度：車外的人看到的車廂的長(zhǎng)度：(3)時(shí)間間隔的相對(duì)性在站臺(tái)上看運(yùn)動(dòng)火車上的鐘在火車上看運(yùn)動(dòng)站臺(tái)上的鐘相對(duì)速度與動(dòng)鐘延緩效應(yīng)

(τ=1s）V（米/秒）0.1c=3×1070.5c

0.8c0.9c0.99c0.999c0.9998cT(秒)1.011.151.672.297.122.450(4)相對(duì)論的時(shí)空觀牛頓物理學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀：物理學(xué)的空間與時(shí)間是絕對(duì)分離沒(méi)有聯(lián)系的，脫離物質(zhì)而單獨(dú)存在，與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。而相對(duì)論認(rèn)為：有物質(zhì)才有時(shí)間和空間，空間和時(shí)間與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。人類對(duì)于空間、時(shí)間更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)而形成的新的時(shí)空觀，是建立在新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)和相關(guān)結(jié)論與傳統(tǒng)觀念不一致的矛盾基礎(chǔ)上，不斷發(fā)展、不斷完善起來(lái)的。(5)時(shí)空相對(duì)性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)相對(duì)論，時(shí)間在運(yùn)動(dòng)中會(huì)進(jìn)行的比較緩慢，也就是說(shuō)，在空間中高速移動(dòng)的時(shí)鐘，比固定于地面上的時(shí)鐘走得慢．1971年，科學(xué)家將銫原子鐘放在噴氣式飛機(jī)中作環(huán)球飛行，然后與地面的基準(zhǔn)鐘對(duì)照．實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)言符合的很好．這是相對(duì)論的第一次宏觀驗(yàn)證．

早在1941年，科學(xué)家通過(guò)對(duì)宇宙線的觀測(cè)證實(shí)了相對(duì)論的結(jié)論，美國(guó)科學(xué)家羅西和霍爾在不同高度統(tǒng)計(jì)了宇宙線中μ子的數(shù)量，結(jié)果與相對(duì)論預(yù)言完全一致．第四課時(shí)狹義相對(duì)論的其他結(jié)論【教學(xué)目標(biāo)】：知識(shí)與技能：（1）運(yùn)動(dòng)速度的相對(duì)論變換（2）相對(duì)論質(zhì)量（3）質(zhì)能方程過(guò)程與方法：（1）讓學(xué)生體會(huì)到自洽性檢驗(yàn)是科學(xué)理論研究的一個(gè)基本方法。情感態(tài)度和價(jià)值觀：（1）體會(huì)物理學(xué)中蘊(yùn)含的簡(jiǎn)單與和諧之美（質(zhì)能方程）【教學(xué)建議】狹義相對(duì)論的其他三個(gè)結(jié)論狹義相對(duì)論的三個(gè)重要結(jié)論…相對(duì)論的速度疊加公式相對(duì)論質(zhì)量質(zhì)能方程(1)相對(duì)論的速度疊加公式v車外的人看到車上人相對(duì)地面的速度為：(2)相對(duì)論質(zhì)量

物體的運(yùn)動(dòng)速度不能無(wú)限增加，那么物體的質(zhì)量是否隨著速度而變化？

嚴(yán)格的論證表明，物體高速（與光速相比）運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量與它靜止時(shí)的質(zhì)量之間有下面的關(guān)系：m為運(yùn)動(dòng)質(zhì)量m0為靜止質(zhì)量質(zhì)速關(guān)系曲線知識(shí)回顧：

微觀粒子的速度很高，它的質(zhì)量明顯的大于靜止質(zhì)量．在研究制造回旋加速器時(shí)必須考慮相對(duì)論效應(yīng)的影響．1988年，中國(guó)第一座高能粒子加速器——北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)首次對(duì)撞成功物體的能量和質(zhì)量之間存在著某種聯(lián)系：

物體的能量和質(zhì)量之間存在密切的聯(lián)系，他們的關(guān)系是：愛(ài)因斯坦（3）質(zhì)能方程這就是著名的質(zhì)能方程

質(zhì)能方程表達(dá)了物體的質(zhì)量和它所具有的能量之間的關(guān)系.物體的動(dòng)能運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量靜止時(shí)的能量在v＜＜c時(shí)的一種近似,這就是動(dòng)能表達(dá)式．選擇性介紹：具體推導(dǎo)過(guò)程如下：質(zhì)能方程：這就是我們過(guò)去熟悉的動(dòng)能表達(dá)式，這也能讓我們看出，牛頓力學(xué)是相對(duì)論力學(xué)在低速情況下的特例．第五課時(shí)廣義相對(duì)論簡(jiǎn)介【教學(xué)目標(biāo)】：知識(shí)與技能：（1）了解廣義相對(duì)論基本原理廣義相對(duì)性原理和等效原理（2）廣義相對(duì)論主要結(jié)論物質(zhì)的引力使光線彎曲和強(qiáng)引力場(chǎng)附近的時(shí)間進(jìn)程會(huì)變慢（3）介紹廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程與方法：（1）了解愛(ài)因斯坦思考和推演廣義相對(duì)論思維過(guò)程情感態(tài)度和價(jià)值觀：（1）體會(huì)在宇宙中人類的渺小和科學(xué)的巨大力量【教學(xué)建議】(1)超越狹義相對(duì)論的思考介紹愛(ài)因斯坦思考狹義相對(duì)論無(wú)法解決的兩個(gè)問(wèn)題：第一個(gè)是引力問(wèn)題，萬(wàn)有引力定律不滿足洛倫茲變換，無(wú)法納人狹義相對(duì)論的理論框架；第二個(gè)是非慣性系問(wèn)題，狹義相對(duì)論只適用于慣性系。它們是促成廣義相對(duì)論的前提。（2）廣義相對(duì)論等效原理

在一個(gè)引力可以忽略的宇宙空間有一艘宇宙飛船在做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，船上的觀察者記錄光的徑跡是一條拋物線．半透明屏光源等效原理引力場(chǎng)與勻加速參考系等價(jià)

假設(shè)飛船靜止，而在船尾存在一個(gè)巨大的物體，在它的引力場(chǎng)作用下,光的軌跡也是一條拋物線。（3）廣義相對(duì)論主要結(jié)論通常物體的引力場(chǎng)都太弱，20世紀(jì)只能觀測(cè)到太陽(yáng)引力場(chǎng)引起的光線彎曲．太陽(yáng)由于太陽(yáng)引力場(chǎng)的作用，我們有可能觀測(cè)到太陽(yáng)后面的恒星，最好的觀測(cè)時(shí)間是發(fā)生日全食的時(shí)候．1919年5月29日，發(fā)生日全食，英國(guó)考察隊(duì)分赴幾內(nèi)亞灣和巴西進(jìn)行觀測(cè)，證實(shí)了愛(ài)因斯坦的預(yù)言，這是對(duì)相對(duì)論的最早證實(shí)．廣義相對(duì)論結(jié)論（1）——光線彎曲廣義相對(duì)論結(jié)論（2）——透鏡效應(yīng)星球的強(qiáng)引力場(chǎng)能使背后傳來(lái)的光線匯聚，這種現(xiàn)象叫做引力透鏡效應(yīng)．星體星體無(wú)法觀測(cè)黑洞宇宙中很可能存在黑洞，它不輻射電磁波，因此無(wú)法直接觀測(cè)，但是它的巨大質(zhì)量和極小的體積使其附近產(chǎn)生極強(qiáng)的引力場(chǎng)，引力透鏡是探索黑洞的途徑之一．廣義相對(duì)論結(jié)論（3）——引力場(chǎng)影響時(shí)間引力場(chǎng)的存在使得空間不同位置的時(shí)間進(jìn)程出現(xiàn)差別．

對(duì)于高速轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤，除了轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置外，各點(diǎn)都在做加速運(yùn)動(dòng)，越是靠近邊緣，加速度越大，方向指向盤心．

地面上看到：越是靠近邊緣，速度越大．根據(jù)狹義相對(duì)論，靠近邊緣部位的時(shí)間進(jìn)程較慢．

圓盤上的人認(rèn)為：盤上存在引力場(chǎng)，方向由盤心指向邊緣，引力勢(shì)較低，得出：引力勢(shì)較低的位置，時(shí)間進(jìn)程比較慢．各類星體對(duì)比宇宙中有一類恒星，體積很小，質(zhì)量卻很大，叫做矮星，引力勢(shì)比地球低的多，矮星表面的時(shí)間進(jìn)程比較慢，哪里的發(fā)光的頻率比同種的原子在地球上發(fā)光頻率低，看起來(lái)偏紅，這個(gè)現(xiàn)象叫做引力紅移．廣義相對(duì)論結(jié)論（4）——引力紅移引力場(chǎng)的存在使得空間不同位置的桿的長(zhǎng)度出現(xiàn)了差別．

地面上看到：越是靠近邊緣，速度越大．根據(jù)狹義相對(duì)論，靠近邊緣部位的桿的長(zhǎng)度較短．

圓盤上的人認(rèn)為：引力勢(shì)較低的位置，桿的長(zhǎng)度越短．廣義相對(duì)論結(jié)論（5）——引力場(chǎng)影響長(zhǎng)度引力勢(shì)由高到低變化

由于物質(zhì)的存在，實(shí)際空間并不是均勻的，空間發(fā)生了“彎曲”：點(diǎn)擊觀看第六七課時(shí)課題研究課題研究（一）愛(ài)因斯坦的貢獻(xiàn)課題研究（二）方興未艾的宇宙學(xué)課題研究（三）有趣的相對(duì)論佯謬課題研究（四）黑洞的研究課題研究主要以學(xué)生研究為主，教師可以對(duì)班級(jí)同學(xué)進(jìn)行小組劃分，各個(gè)小組分配不同任務(wù)進(jìn)行研究，課題研究結(jié)果可以采用班級(jí)小組匯報(bào)或小論文的形式。狹義、廣義相對(duì)論比較狹義相對(duì)論廣義相對(duì)論不同的慣性參考系中一切物理規(guī)律都是相同的

任何參考系（包括非慣性系）中物理規(guī)律都是相同的真空中的光速在不同慣性參考系中都是相等的