高中物理第6章經典力學與現(xiàn)代物理6.2狹義相對論的基本原理教案滬科版必修2(I)

1、6.2 狹義相對論的基本原理教研中心教學指導一、課標要求1.通過學生熟悉的物理事例讓學生理解經典力學中的時空觀（絕對時空觀）.2.通過對追光問題的思考，結合伽利略相對性原理提出慣性系的概念，從對實際問題的研究中發(fā)現(xiàn)并思考問題.3.了解狹義相對論兩個基本公設的產生基礎，它與經典時空觀的矛盾，知道愛因斯坦就是在解決這一矛盾的過程中提出了狹義相對論.二、教學建議1.在介紹經典力學的絕對時空觀時應該使學生明白這種時空觀特點是時間和空間是分離的、絕對的，與物質的運動形式無關，而得出這些觀點的主要渠道是直覺和經驗.在教學中應該注意到這種時空觀已經被學生所接受，不能急著說這種觀點不正確，相反可以肯定這些觀點

2、對于跑動、乘車甚至于乘坐高速運動的火箭的觀察者來說，時間和空間都是統(tǒng)一的.2.追光問題的思考在本節(jié)中的地位相當重要，教學中可以運用所學過的知識作簡要的分析和說明，可以組織學生討論、設想、相互評價，沒有必要涉及更深的理論，但應該使學生知道兩種結論似乎都不能令人滿意.這也就提出了問題，科學家是怎樣尋求答案的.3.伽利略相對性原理中首先提出了慣性系的概念，指出了慣性系中的力學規(guī)律都相同，所有的慣性系都等價.在教學中應該處理好教材中給出的討論題，可以讓學生討論出在三種情況下得到三種不同的結果，都與“光速不變”產生矛盾，而“光速不變”這一結論只能用“大量的事實證明”來直接告訴學生.4.狹義相對論的兩個基

3、本公設的提出，是針對伽利略的相對性原理與光速不變這一事實發(fā)生矛盾時，愛因斯坦在尋求二者的統(tǒng)一.在教學中應該把重點放在介紹愛因斯坦超人的智慧和獨特的思維方式上，在要求上只能作為科普知識，沒有必要作過多的要求.5.狹義相對論的相關知識很多學生只是了解一點點，本節(jié)教學中可以讓學生相互交流、討論，可以介紹一點有關狹義相對論的小故事，目的是激發(fā)學生的學習興趣，但不能過多地討論.資源參考用伽利略相對性原理求解“為什么會擊中”的問題 此類問題在力學中是非常有趣的問題，很易用實驗證實，既是老問題，又是新問題. 在均勻的引力場中，若忽略空氣阻力，槍瞄準吊在高處B的蘋果A，往往都擊中.若A在開始射擊的時刻同時自由

4、落下，只要子彈的速度足夠大，如圖1，都能擊中，可用牛頓力學來求解.最近，Kalotas等人指出，此種解答不能給出直觀的結果，而用另一種方法求解，即愛因斯坦等效性原理（Ep）、且考慮蘋果A在豎直方向自由下落.在這構想中，除了應用愛因斯坦等效性原理外，還采用連接在自由下落蘋果A和子彈上的參考系（非慣性系），引入一虛構的達朗伯力作用于子彈和蘋果上，抵消引力，這樣在子彈和蘋果上不存在凈力，即合力為零，子彈直線運動擊中固定不動的蘋果A.雖然此種方法能給學生良好的直觀感覺，但很難理解，在非慣性系中引入達朗伯力，就不易接受.圖1 現(xiàn)在，也是本文主要談的，用伽利略的運動學研究擊中下落蘋果的問題，在歷史上和概念

5、上都優(yōu)越于牛頓力學.此種方法能方便地、直觀地解決此類問題，也能解決兩物體（如導彈等）在空中相碰的問題. 伽利略的運動相對性原理：運動物體在以恒定速度相對運動的坐標系中的物理規(guī)律是相同的，即所有的慣性系都是等價的.令S是慣性參考系，原點為B，考慮一個想象的參考點R在射擊初始時刻（t=0）以子彈的速度運動，以R為原點建立一慣性系S.因此，S相對于S以恒定速度（v0，0）直線運動，如圖2，在S慣性參考系上觀察，t0時，子彈D開始從原點R由靜止自由下落，因此在任意時刻t，離原點R的距離為gt2，因為在所有慣性系中，時間間隔和空間間隔都是同樣的，則在S中觀察，在任意時刻t，子彈D離原點R的距離仍是gt2

6、.圖2 現(xiàn)考慮時刻t1，R運動到B點，在S中，蘋果在t1期間從靜止下落，因此離原點的距離為gt12，因為R和B在t1相遇，子彈D和蘋果A必在同一點相遇，如圖3.即相遇在R和B的下面gt12的地方.值得注意的是這種論證法不用計算，顯得簡單和直觀，可以這樣說：在R運動到B的時間間隔內，自由下落的距離是gt12，與速度v0無關.這里的重要點是在S中的子彈D和在S中的蘋果A同時地從原點由靜止開始自由下落，從運動的相對性來看，應認為在慣性系中自由下落是同樣的，因此當兩個原點R和B相重合時，子彈D和蘋果A必在同一點.圖3 同樣的考慮可用于空中截擊目標的舉例，如圖4，兩個拋射體（如炮彈、導彈、火箭等）同時從同樣高度射擊，初速分別為v01和v02，如前所說，假設每個拋射體在慣性系中有它自己的參考點，在空中相遇的條件為： v01sin01=v02sin02圖4 它們在同一時刻在R相遇，當然，同樣的結果也可在實驗室參考系中求得，此時，只要認為兩個拋射體的初速的Y分量相等，即滿足式就可，此時兩個拋射體在同樣高度相遇. 總之，本文談的方法是簡單、直觀的，只應用伽