2020-2021学年鲁科版（2019）必修第二册
5.1初识相对论
教案
【教学目标】
一、知识与技能
1．初步了解狭义相对论的基本假设。
2．认识时间和空间的相对性。
3．了解狭义相对论的其他两个结论。
二、过程与方法
1．培养学生严密的逻辑思维习惯，激发学生进一步学习的愿望。
2．学习正确的认识方法：实践是检验真理的唯一方法。
三、情感、态度与价值观
通过对本节知识的分析，培养学生的逻辑思维能力，激发学生探索科学的精神。
【教学重点】
狭义相对论的基本假设。
【教学难点】
1．狭义相对论的基本假设。
2．能辨析清楚在哪些情况下考虑相对论效应，哪些情况下不必考虑。
【教学过程】
一、新课导入
19世纪后半叶，关于电磁场的研究不断深入，人们认识到了光的电磁本质。我们已经知道，电磁波是以巨大且有限的速度传播的，因此在电磁场的研究中不断遇到一些矛盾，这些矛盾导致了相对论的出现。
相对论不仅给出了物体在高速运动时所遵循的规律，而且改变了我们对于时间和空间的认识，它的建立在物理学和哲学的发展史上树立了一座重要的里程碑。
二、新课教学
（一）经典的相对性原理
教师：生活中的相对性随处可见
教师举例：物体甲以3m/s向右运动，物体乙以2m/s向右运动，实际我们选什么做参考系的？
学生：地面。
教师：分别选地面和甲做参考系说出乙的运动情况？
学生：以地面为参考系，乙的速度大小为2m/s，方向向右，以甲为参考系，乙的速度大小为1m/s，方向向左。
教师：由以上实例我们归纳出两点内容：
（1）研究物体的运动必须选参考系。
（2）同一运动选不同参考系速度不一定相同。
教师：要研究物体运到必须涉及到参考系概念，我们已经掌握了惯性系概念。
学生：牛顿运动定律成立的参考系，相对于一个惯性参考系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。
教师：下面我们通过一段材料，在不同惯性系中研究物体运动情况。
教师组织学生分组讨论完成：
问题1．两种不同的惯性参考系中观察到的各种现象有变化吗？所遵守的力学规律都相同吗？
问题2．在一个惯性参考系内进行的任何力学实验能不能判断这个惯性系相对于另一个惯性参考系做匀速直线运动？
教师提问：伽利略相对性原理有两种表述各是什么？
学生回答：1．力学规律在任何惯性系中都是相同的。
2．在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动；或者说，任何惯性系都是平权的。
（二）相对性原理与电磁规律
教师：相对性原理简单自然，取得了巨大的成就，而且与生活经验一致。因此很长时间没有人怀疑，甚至思考过相对性原理。然而相对性原理在电磁学领域，研究光速问题遇到了麻烦。
教师问题：相对性原理和电磁理论的矛盾是什么？
学生回答：麦克斯韦的电磁理论光速恒定，并不涉及参考系问题，相对性原理得出光速并不是对任何惯性系都一样。
教师提问：光相对参考系s和s’的速度分别多少？
学生回答：光相对参考系s的速度是v，光相对参考系s’的速度是c-v。
教师：光速相对不同惯性系并不一定相同。
教师通过课件演示，进一步深化经典相对性原理对光速问题解释。
教师提问：麦克斯韦的电磁理论对光速问题的解释是什么？
学生回答：麦克斯韦的电磁理论光速恒定，并不涉及参考系问题。
教师设问：麦克斯韦的电磁理论真空中电磁波速是光速c是指在那个参考系中来说呢？有无这样的特殊的参考系呢？实验过程及事实是怎样的呢？
教师引出麦克尔逊—莫雷实验。
教师介绍实验器材：光源、分光镜、反射镜M1、反射镜M2
教师通过师生互动介绍实验背景和实验过程：19世纪流行着一种“以太”学说，物理学家们曾经猜想，有一种叫做以太的介质，弥漫在宇宙中，并把“以太”看作绝对惯性系，地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，相对以太速度也应该是每秒30公里，同时，它也必须对光的传播产生影响。假设以太相对太阳静止，仪器在实验坐标系中相对于以太以公转轨道速度v向右运动。由经典相对性原理光源发光经分光镜分成两束光，光束1自左向右的速度为c+v，光束1经反射镜M1反射速度为c-v，再经分光镜投射到观测屏。光束2自下向上与经反光镜M2反射自上向下的速度应该都为，再经分光镜投射到观测屏。由于两束光光程相同，两个方向合速度不同，经典相对性原理得出两束光到达观测屏时间应该不同。
教师提供视频演示麦克尔逊—莫雷实验，并进一步介绍两束光在观测屏形成干涉条纹。通过分析干涉条纹，得出两个方向光速相同。
实验结果：证明了光速与光源和测量者的相对运动无关，亦即与参照系无关。否定了以太的存在。
学生讨论：当实验事实和现有理论出现矛盾的时候物理学家有几种选择。
一是修改现有理论以迎合新的客观事实；二是创新全新的理论。
（三）狭义相对论的两个基本假设
教师指导学生学习狭义相对论的两个基本假设。
教师提问：狭义相对论的两个基本假设是什么？
学生回答：
1．相对性原理
所有物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。
2．光速不变原理
在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c都一样（c=3×108m/s）。
教师介绍：就现在看来如此简单且最一般的两个假设的基础上爱因斯坦建立了一套完整的理论——狭义相对论。
教师引导学生归纳并讨论：对狭义相对论两个基本原理的正确理解。
①自然规律不仅包括力学规律，还包括电磁学规律等其他所有的物理学规律；
②强调真空中的光速不变指大小既不依赖于光源或观察者的运动，也不依赖于光的传播方向。
③几十年来科学家采用各种先进的物理技术测量光速，结果都不违背光速不变原理。物理规律必须以事实为依据。
教师问题：狭义相对论的两个基本假设，都有实验证实，为什么还要做假设？
学生回答：有限的几个实验，不能做出概括性的结论，只有再从这两个假设出发，经过逻辑推理（包括数学推导）所得出的大量结论都与事实相符，那时它们才能成为真正意义上的原理。就类似于数学中科学归纳法。
教师引导学生阅读：相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难被普通人所理解。人们都称赞爱因斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟大的内容。这使人们想起英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句：
自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，
上帝说：“让牛顿去吧，”
于是一切都成为光明。
后人续写道：上帝说完多少年之后，
魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，”
于是一切又回到黑暗中。
教师向学生推荐相对论入门书目：
《从零学相对论》梁灿斌
《时间简史》斯蒂芬·霍金
《狭义与广义相对论浅说》爱因斯坦
三、课堂交流讨论
1．在封闭汽车的内部，请你设计一个力学实验，来判断汽车是加速还是匀速？这与狭义相对性原理冲突吗？
2．教室日光灯同时向同方向放出两个光子，相对教室学生光子速度？一个光子相对另一光子速度？
【练习巩固】
1．有甲、乙两人，甲以2m/s的速度向东直线行走，乙以1.5m/s的速度向西直线行走，则甲相对于乙的速度大小为（
）
A．2m/s
B．1.5m/s
C．3.5m/s
D．0.5m/s
2．下列说法正确的是（
）
A．物理的基本规律在所有惯性系中都是等价的
B．在真空中，光的速度与光的频率、光源的运动都无关
C．在任何惯性系中，光在真空中沿任意方向的传播速度都相同
D．以上说法均不正确
3．一根沿自身长度方向运动的直杆，其长度比静止时（
）
A．长
B．短
C．相等
D．不能确定
4．一米长的标尺以相对论速度穿过一根几米长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的。则以下能最恰当地描述标尺穿过管子时的情形的是（
）
A．标尺收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住标尺
B．标尺伸展变长，因此在某些位置上，标尺从管子的两端伸出来
C．两者都收缩变短，且收缩量相等，因此在某个位置上，管子能恰好遮住标尺
D．所有情形都与观察者的运动状态有关
5．原长为15m的飞船以9km/s的速率相对地面匀速飞行时，从地面上测量，它的长度为多少？假设飞船以0.9c的速率飞行，则从地面上测量，它的长度又为多少？从中你可以得到什么结论？
6．一固定长度为90m的飞船，沿船身方向相对地球以0.8c的速度从一观测站的上空飞过，该观测站测得的飞船的长度为多少？船身全部通过观测站所用的时间为多少？船中宇航员测得的时间又为多少？（观测站视为质点）
7．一列火车以某一速度相对于地面运动，若地面上的人测量某光源发出的光同时到达车厢的前壁和后壁，则按照火车上的人测量，光先到达前壁还是后壁？火车上的人怎样解释这种现象？2020-2021学年鲁科版（2019）必修第二册
5.3
探索宇宙的奥秘
教案
教学目标
1.
大体了解人们认识宇宙的起源的过程，了解伽莫夫的大爆炸理论。
2.
知道当前的宇宙观察认识宇宙正在膨胀，且了解人们认识宇宙正在膨胀的证据。
3.
从了解天体演化和元素形成的过程中体会宇宙中自然规律的统一性。
教学重难点
教学重点
大爆炸理论、宇宙的演化
教学难点
大爆炸理论、宇宙的演化
教学准备
多媒体课件
教学过程
新课引入
教师设问：介绍宇宙天体的结构层次，然后设问宇宙从何而来。
讲授新课
一、宇宙的起源
教师设问：宇宙的起源是怎样的？大家可以谈一下。任意的关于宇宙的起源的理论都可以谈，包括传说。
教师活动：讲解大爆炸理论。
在探索宇宙奥秘的过程中，爱因斯坦发现，根据广义相对论建立的宇宙模型不是静态的，因此引入宇宙学常数进行修正，提出了“有限无界的静态宇宙”模型。
1929年，哈勃做了一个具有里程碑意义的观测：遥远的恒星发出的光谱与地球上同种物质的光谱相比，波长变长，即向红光方向偏移。这一现象说明：不管往哪个方向看，远处的星系都正在急速地远离我们而去，并且距离我们越远的星系离开我们的速度越快。
人类从此走出了静态绝对的宇宙观，开始用膨胀的宇宙观探索宇宙的起源。既然宇宙正在远离，那么原来他应该聚集在更小范围之内。美国科学家伽莫夫将微观的核物理、化学元素的起源与宏观的膨胀宇宙联系在一起，提出了描述宇宙起源和演化的大爆炸宇宙模型，认为宇宙从一个温度无限高、物质密度无限大的“奇点”爆炸而成。大爆炸宇宙模型不仅能解释宇宙光谱的红移现象，而且预言在大爆炸的特殊宇宙背景下产生的微波辐射至今存在于宇宙空间中。1965年，威尔森和彭齐亚斯观测到了宇宙背景微波辐射，大爆炸宇宙模型得到了有力的支持。
二、宇宙的演化
教师活动：讲解宇宙膨胀的可能的方向。
宇宙将会一直膨胀下去吗？宇宙的未来将走向何处？根据爱因斯坦广义相对论的预言，宇宙的未来在很大程度上依赖于宇宙中的物质分布(宇宙物质的平均密度)。如果宇宙物质的平均密度大于某个临界值，星系间的引力将最终使膨胀停止并使宇宙开始重新收缩，最终坰缩；如果宇宙物质的平均密度小于该临界值，宇宙将会继续膨胀。但对宇宙物质平均密度的观测非常困难，因为宇宙中除了可见的发光天体之外，还有大量的暗物质和暗能量。
自20世纪70年代以来，科学家根据对星系之间引力效果的观测发现，常规物质不可能产生如此大的引力。因此，人们推测有一种有质量能产生引力但没有电磁相互作用的物质存在于宇宙之中，人们称这种物质为暗物质。与暗物质相对应的能量称为暗能量。
1998年，科学家索尔·珀尔马特、布莱恩·施密特和亚当·里斯通过观测遥远的超新星，发现宇宙正在加速膨胀，并且证明了暗能量的存在。通过观测和理论分析，科学家推测宇宙的大部分都是由暗物质和暗能量组成的，但人类对暗物质和暗能量的本质至今仍不了解现有的天文观测资料还不能确定宇宙的未来将走向何处，这有待于人类的进一步探索。
三、永不停息的探索
教师活动：讲解人类运用光学望远镜、射电望远镜、空间望远镜探测宇宙的状况。
光学望远镜和射电望远镜接收的都是无线电波。光学望远镜利用接收可见光，并成像。射电望远镜接收的是无线电波。
16
世纪初，意大利科学家伽利略用望远镜观测天空，从此人类的视野更加开阔。从伽利略开始，人类一直在通过不断增加电磁波谱的范围来探索宇宙的奥秘，每一种新的电磁波谱的拓展都意味着打开一扇通向宇宙的新的窗口。
1939
年，美国科学家雷伯利用世界上第一架专门用于天文观测的射电望远镜接收到了来自银河系中心的无线电波，根据观测结果绘制了第一张射电图。
为了摆脱大气层对天文观测的影响，人类还先后发射了许多人造卫星及宇宙飞行器用于天文观测。著名的哈勃太空望远镜自1990年4月24日升空以来，为人类源源不断地提供震撼人心的星际图像，如恒星的诞生和死亡等。人们把它的诞生视为天文学走向空间时代的一个里程碑。
哈勃望远镜取得了巨大的成就，对人们对宇宙的认识及思维观念有巨大的影响。但哈勃望远镜毕竟是光学望远镜，有其固有的局限性。如波长限制在可见光，且其分辨率也有一定的提升空间。
于是，人们设计了哈勃的继任者詹姆斯韦伯太空望远镜。
主要的任务是调查作为大爆炸理论的残余红外线证据(宇宙微波背景辐射)，即观测今天可见宇宙的初期状态。为达成此目的，它配备了高敏度红外线传感器、光谱器等。
教师活动：讲解引力波。
依据广义相对论预言，大质量天体发生碰撞、恒星爆炸、中子星合并、黑洞合并等极端天文事件发生时，时空会产生涟漪并产生“引力波”，以光速向外扩张。2015年，人类首次直接探测到引力波的存在。
课堂小结
