2019-2020年高中物理 《電磁場理論引發(fā)的怪異問題》教案 滬科版選修3-4.doc

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2019-2020年高中物理 《電磁場理論引發(fā)的怪異問題》教案 滬科版選修3-4 【教學目標】 （一）知識與技能 （1）了解相對論誕生的歷史背景，知道麥克耳孫一莫雷實驗 （2）了解經(jīng)典的相對性原理（伽利略相對性原理） （3）進一步認識經(jīng)典電磁理論的缺陷 （二）過程與方法 （1）了解對經(jīng)典物理學內(nèi)部矛盾的探索過程 （2）理解愛因斯坦對電磁現(xiàn)象的科學探究思想方法和發(fā)現(xiàn) （三）情感、態(tài)度與價值觀 通過對本節(jié)內(nèi)容的學習，認識科學假設(shè)在科學發(fā)現(xiàn)上的重要作用，進一步理解邏輯推理的力量。 【學情分析】 學生已經(jīng)學習了經(jīng)典物理學的絕大部分基本知識，已經(jīng)習慣了在經(jīng)典時空觀下思考問題，對教材介紹的實驗理解，已有相關(guān)知識的支持。學習的難點在于新問題新結(jié)論的得出，因此教學中應(yīng)注意把教學重點放在，邏輯推理的基礎(chǔ)和邏輯推理的過程上。 【教學思路】 通過在具體實例中提出問題、揭示矛盾、引發(fā)學生思考，然后通過相對論假設(shè)進行邏輯推理，得出結(jié)論。 【教學重點】 1、明確狹義相對論的一個重要的理論基礎(chǔ)——邁克爾孫-莫雷實驗 2、了解愛因斯坦的探究及發(fā)現(xiàn)—— 經(jīng)典物理學存在問題的癥結(jié)在于運動學的基本概念上。 【教學難點】 通過實驗探究和理論分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)典物理學（從電磁學入手）存在的問題。 【教學方法】 講授法+自主學習法 【教學過程】 新課引入： 19世紀后半葉，電磁理論已被證實是正確的，并確認光是電磁波。由于當時人們按照機械波傳播時需要介質(zhì)，認為電磁波和光的傳播也需要要介質(zhì)，而事實表明電磁波和光在真空中也可以傳播。在真空中是借助什么介質(zhì)傳播的呢？ 傳播電磁波和光的介質(zhì)一時找不到，當時人們便接受了亞里士多德的“以太”學說，認為“以太”就是傳播電磁波和光的介質(zhì)。那么光速就應(yīng)該是光相對“以太”的速度。 亞里士多德認為世界有“土、水、火、氣”四種元素組成，后來又補充了第五種元素“以太”。至于“以太”是什么物質(zhì)，也是人們感到困擾的。 科學發(fā)展至今，我們知道電磁波的傳播本來就不需要介質(zhì)。 那么會思考：這“以太”是否存在？ 一、歷史上一個著名的實驗：邁克爾孫-莫雷實驗 1、閱讀教材：經(jīng)典物理中的速度合成公式：P.103 2、將經(jīng)典物理中的速度合成公式用于光的傳播問題： 按照經(jīng)典物理理論，假定光在“以太”中的傳播速度為c，那么如果觀察者相對以太運動的話，觀察者測量的光速將不會是c。如果觀察者順著光的方向運動，測量的光速將會比c??；如果觀察者逆著光的方向運動，測量的光速將會比c大。 3、邁克爾孫-莫雷實驗 1886年，邁克爾孫-莫雷實驗就是希望通過干涉現(xiàn)象探尋以太相對地球是如何運動的而設(shè)計的一個實驗：如果“以太”相對地面運動，那么在干涉儀旋轉(zhuǎn)一周的過程中，將會看到干涉條紋的移動。因為光在不同方向的傳播速度會有所不同。 實驗結(jié)果：在水平面上轉(zhuǎn)動干涉儀的過程中，沒有觀察到干涉條紋預期的移動。 這就是說：地球相對以太的速度v實際上等于零，或者說以太不存在；光速c是不變的。 此即所謂邁克爾孫-莫雷實驗的“以太漂移的零結(jié)果”。 此后的50年中，有11位科學家發(fā)表了13份精確的實驗數(shù)據(jù)，都得到了“以太漂移的零結(jié)果” 這是光速不變和以太不存在的判定性實驗。 4、分析論證： 光在任何方向上，相對地球的傳播速度都是相同的。 據(jù)此科學家認為，要么“以太”本身就不存在，要么“以太”存在但它相對地球是靜止的。 但事實表明“以太”本身是不存在的，因為人們在測量太陽光的光速與地面上的光源發(fā)出的光的光速也是相同的，因此否定了后一種假設(shè)。 二、經(jīng)典電磁理論的“缺陷” 1、伽利略相對性原理：力學規(guī)律在任何慣性系中都是相同的，即任何慣性參考系都是平權(quán)的（即等價的）。 什么是慣性系？什么是非慣性系？ 牛頓運動定律能夠成立的參考系叫慣性系，牛頓運動定律不成立的參考系稱為非慣性系。 通常我們認為地球是一個很好的慣性系。 根據(jù)慣性系的概念，不難推出，相對于一個慣性系做勻速運動的另一個參考系也是慣性系。 如我們坐在勻速運動的汽車輪船里，觀察物體的運動時，汽車輪船作為參考系都是慣性系。 相反，如果我們坐在加速的車廂里，以車廂為參考系觀察路邊的樹木房屋向后方加速運動，根據(jù)牛頓運動定律，房屋樹木應(yīng)該受到不為零的合外力作用，但事實上沒有，也就是牛頓運動定律不成立。這里加速的車廂就是非慣性系。 2、伽利略相對性原理： 對于力學規(guī)律來說，一切慣性系都是等價的。 3、愛因斯坦認為，在不同的慣性系中，一切物理規(guī)律(包括電磁規(guī)律)都應(yīng)該的是相同的。 即對于所有物理規(guī)律，一切慣性系都是等價的。 但電磁規(guī)律在不同的慣性系中，卻表現(xiàn)出不同的結(jié)論。 正如愛因斯坦對電磁感應(yīng)現(xiàn)象的思考： 如右圖所示，我們知道，當磁體相對導體閉合回路運動時回路中就產(chǎn)生感應(yīng)電流，不管是磁體運動還是回路運動。但從磁體看，肯定沒有電場；可是從導體回路看卻肯定沒有磁場。因此應(yīng)該從整體上認識電場和磁場。 同時愛因斯坦認為把力學中的速度公式用于電磁場問題，這也是值得懷疑的。 經(jīng)過若干年的探索之后，他才發(fā)現(xiàn)其原因在于運動學一些基本概念的任意性上——即我們過去的時空觀存在問題。 【課堂練習】 1、“以太”存在嗎？你通過學習，說明為什么存在或不存在？ 2、什么是“伽利略相對性原理”？愛因斯坦對它進行了推廣，提出了什么看法？ 3、愛因斯坦經(jīng)過多年探索，發(fā)現(xiàn)經(jīng)典物理學遇到的不能解決的問題，其原因在哪里？ 答案請同學在教材后在教材上尋找 【課堂小結(jié)】 通過學習我們知道了： 1、“以太”不存在； 2、光速不會隨參考系而發(fā)生變化，即光速不變； 3、得到以上兩個結(jié)論的基礎(chǔ)是實驗：邁克耳-莫雷實驗以及一些測定光速的實驗。 4、愛因斯坦經(jīng)過多年的探索和深邃的思考，發(fā)現(xiàn)經(jīng)典物理學的時空觀存在問題。 【家庭作業(yè)與活動】 思考與討論： P.104 〖家庭作業(yè)與活動〗1、2、3