2019-2020年高三物理 第二十三章 相對論簡介 四、慣性力、慣性質量和引力質量(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 四、慣性力、慣性質量和引力質量(第一課時) ●本節(jié)教材分析 本節(jié)介紹了慣性力的概念，并應用它在非慣性系中解決力學問題.這一節(jié)內容的引入是為廣義相對論做準備的，本身并不屬于相對論的內容. 對于慣性力在非慣性系中應用解題的教學可將高一時做過的力學問題變換參考系來重做，加深對慣性力概念和非慣性系的理解. 慣性質量和引力質量是不同的兩個概念，前者是反映質點保持原來狀態(tài)的能力，不涉及引力，后者則反映質點吸引其他物體的能力并不涉及慣性，這一點應講清楚. ●教學目標 一、知識目標 1理解慣性力的概念，會在非慣性系中用慣性力解決問題. 2理解慣性質量和分力質量不可區(qū)分. 二、能力目標 培養(yǎng)從不同側面、不同角度分析解決物理問題的能力. 三、德育目標 通過慣性質量和引力質量的對比數(shù)學，激發(fā)學生的探索熱情. ●教學重點 慣性力及應用. ●教學難點 慣性質量和引力質量. ●教學方法 在具體事例中揭示矛盾，引入慣性力的概念，并在應用中深化理解引力質量和慣性質量主要通過對比發(fā)現(xiàn)它們的不同與聯(lián)系. ●教學用具 投影儀與投影片. ●課時安排 1課時 ●教學過程 一、引入新課 （投影圖23—5） 圖23—5 ［師］請大家看圖23—5，靜止車廂內的桌面水平且光滑，小球靜止在桌面上，現(xiàn)車廂以加速度a向右加速運動，車廂內的人觀察小球的運動情況如何？ ［生］小球向后運動. ［師］他是以什么做參考系的. ［生］車廂. ［師］他能用牛頓運動定律解釋看到的現(xiàn)象嗎？ ［生］不能，根據(jù)牛頓運動定律小球要由靜止向后運動必須受到向后的合外力，而這里桌面光滑，其他也沒有水平外力作用. ［師］顯然，這里牛頓定律不適用了，在這里的車廂參考系是什么參考系？ ［生］非慣性系. 二、新課教學 （一）非慣性系和慣性力 ［師］牛頓運動定律我們很熟悉，用來解決問題很方便，我們很想使它在非慣性系中也適用，因為非慣性系研究問題有時十分方便. 假如他看到小球受到一個向后的力作用，他就可以用牛頓定律解釋所見到的現(xiàn)象了.雖然這個力不存在，但我們可以引進這一假想的力，叫慣性力，大家能解釋他所看到的現(xiàn)象嗎？ ［生］能.他認為小球受到了一個向后的慣性力作用，開始加速運動. ［師］牛頓運動定律在這里怎么表達？ ［生］Fi=ma ［師］注意這里Fi的方向與非慣性系的加速度方向相反，我們表達為Fi=-ma. （二）慣性力應用 ［投影問題1］ 圖23—6所示，升降機以加速度a勻加速上升，求其底板上質量為m的物塊所受支持力.（以升降機為參考系） 圖23—6 ［師］在升降機中的觀察者看來，這是一個非慣性系，物體受力情況如何？ ［生］重力G和支持力FN. ［師］還有嗎？ ［生］慣性力FN，大小為ma，方向與a相反 （教師畫出受力） ［師］他認為物體處于什么狀態(tài) ［生］靜止 ［師］很好，大家很容易據(jù)平衡知識求出FN=Fi+G=ma+mg,物體表現(xiàn)超重. ［投影問題2］ 圖23—7，小車向左勻加速運動，車內懸線與豎直方向成θ角，懸線下小球質量為m，求小車加速度大??？ 圖23—7 ［師］請大家以小車為參考系來討論. （學生能分析出小球受力，包括慣性力，但仍有部分學生寫出以地面為參考系的方程，教師要引導學生搞清在小車這個非慣系中觀察，小球是平衡的） 分析：小球受力如圖. 因小球靜止：水平方向受力平衡Tsinθ-ma=0 豎直方向受力平衡Tcosθ-mg=0 消去T解得a=gtanθ這與在地面參考系求出結果一致 （教師應根據(jù)學生掌握情況靈活安排一些問題討論，加深對慣性力概念及應用的理解） （三）慣性力和引力 ［師］宇航員長期在空間站生活，失重會給他們帶來不利影響，大家來看一個裝置，（課本圖23—8）它可以產生一個“人造重力”，請大家分析一下這個“人造重力”是怎么產生的？ ［生］對空間站的宇航員來說，他以空間站為參考系，這一參考系在繞自己的圓心做圓周運動，有向心加速度，因此是一個非慣性系，宇航員要受一個慣性力，這就是“人造重力”. ［師］分析得很好，那么這個重力的大小和方向如何呢？ ［生］大小應是ma，這里a是空間站圓周運動的向心加速度，方向應與a方向相反，也就是背離圓心.所以他感受的“下方”就是這個方向，“上方”就是指向轉軸的方向. ［師］正如剛才大家看到的那樣，慣性力和引力的效果是同樣的，這一點還可以從課本圖23—9來理解.在甲、乙兩圖中物體產生加速度的力分別是什么力？ ［生］甲圖中是行星的引力，乙圖中是由于飛船參考系加速引起的慣性力，對于兩個參考系中的觀察者來說，它們是一樣的，都產生了g的加速度. （四）慣性質量與分力質量 ［師］大家知道物體重力G=mg，慣性力Fi=-ma,這兩種力都與物體的質量成正比.但前者與引力相對應，反映了物體吸引其他物體的能力，而后者是因為物體有慣性才產生的.我們把前者對應的質量叫引力質量，后者對應的質量稱為慣性質量. ［生］對同一物體來說，這兩種質量的值一樣嗎？ ［師］從課本圖23—9的例子可以看出，這兩種質量是不可分辨的.事實上現(xiàn)在我們還沒有發(fā)現(xiàn)它們的差別. ［師］物體在加速運動參考系中的行為與在引力作用下如此相似，二者之間或許有著某種深刻的聯(lián)系，這個問題同學們可以閱讀課文后的“閱讀材料”《廣義相對論》進一步了解. 三、小結 本節(jié)課我們通過 牛頓運動定律在非慣性系中不能成立這一矛盾，引入了慣性力的概念. 應用慣性力解決力學問題，加深了對慣性力的理解. 引力作用與非慣性系中慣性力比較，介紹了引力質量和慣性質量，進一步認識了非慣性系. 四、布置作業(yè) 1.練習四1、2、3 2.閱讀“閱讀材料”《廣義相對論簡介》. 五、板書設計 （一）慣性系和非慣性系牛頓運動定律在非慣性系中不能成立. （二）慣性力 大小Fi=ma 方向：與a相反 Fi=-ma 應用：1.解釋超重現(xiàn)象例1 2.求解力學問題例2 （三）慣性力和引力 人造重力 效果相同 （四）慣性質量和引力質量 概念 不可區(qū)別 六、本節(jié)優(yōu)化訓練設計 1.如圖23—8，小車以加速度a沿傾角為θ的斜面向下運動，擺錘相對于小車靜止時，懸線與豎直方向夾角是多少？（從非慣性系中求解） 圖23—8 2.如圖23—9所示，升降機以加速度a1勻加速上升，其中的人用力上提一個質量為m的物體，他觀察到物體相對于車廂上升的加速度為a2，求他對物體m的拉力大小. 圖23—9 3.如圖23—10所示，水平圓盤繞其中心豎直軸做勻速轉動，盤面光滑，將一光滑小球放在盤面上，小球將相對于地面靜止，對圓盤參考系，小球如何運動？解釋這一現(xiàn)象. 圖23—10 參考答案： 1. tan-1 2.m(g+a1+a2) 3.小球相對于圓盤做順時針勻速轉動，以圓盤做參考系時，小球將受到一個與向心加速度方向相反的慣性力.