Transcript 光学电磁波相对论备课讲座PPT

光学、电磁波和相对论简介
教学建议
南京师大附中
陈明
一、教学思路
1、教材分析
1）在考试说明中全部为I级要求，以直接考
察为主，能力要求不高
2）光学和电磁波与生活联系较密切，有丰富
的现象和事例，利于激发学生兴趣
3）总体学习难度不大，但内容庞杂，需要一
定记忆，有时容易混淆
4）物理光学内容比较抽象，相对论部分理解
难度大
一、教学思路
2、教学目标
1）易学的物理——根据考试要求合理控制难
度，通过感性素材的补充，铺设台阶，降
低学生学习难度
2）有趣的物理——通过丰富的实验和事例，
激发学生的学习兴趣
3）有用的物理——通过物理知识与技术社会
的联系和应用的介绍，让学生认识到物理
学对社会发展的价值
一、教学思路
3、教学策略
1）紧扣考试说明，控制好难度
2）进行梳理和比较归纳，帮助学生建立清晰的知识
体系，避免产生混淆
3）尽量多做实验：做好演示实验和学生动手实验，
增加学生感性认识，帮助理解和记忆
4）尽量多联系实际：多挖掘学生的生活经验素材，
体现物理知识在生活中的应用
5）体现物理思想方法，结合物理学发展介绍，把科
学观价值观教育融入物理教学中
二、教学实施设想
第十三章 光
一）本章总体教学思路
1）几何光学内容偏重基本规律和现象，在习题方面
不必做太多挖掘，复杂的成像和光路问题不必研
究
2）物理光学部分具有一定的抽象性，一方面尽量做
好实验，让学生观察到真实的现象，另一方面，
结合波的干涉，培养学生抽象思维能力。
3）在反射、折射、全反射、偏振、激光、干涉等问
题中，都有大量联系实际的例子，可以体现STS思
想。
二）各节教学建议
1、第一节 光的反射和折射
1）反射定律和折射定律
• 尽量借助一些现象来引入，如果现场演示
更好
1）反射定律和折射定律
• 实验演示随着入射角变化，反射角和折射角的变
化，先找到定性的关系
（可以使用专门的水槽装置，也可以使用激光笔、玻璃砖或者水槽，在
暗室中，有少许烟雾或水较浑浊，光路可以显示出来）
•可以给出查到的一些不
同入射角的折射角数据，
让学生比较得出折射定
律，并能体验得出的过
程，以及了解到折射定
律是一个实验定律，及
其近似性。
入射角 i
10°
20°
30°
40°
50°
60°
70°
80°
折射角 r
6.7°
13.3°
19.6°
25.2°
30.7°
35.1°
38.6°
40.6°
I/r
1.49
1.50
1.53
1.59
1.63
1.71
1.81
1.97
S in i/s in r
1.49
1.49
1.49
1.51
1.50
1.51
1.50
1.51
折射定律的记忆和运用
• 结合光路可逆原理
• 绝对折射率的概念
• 光束介质和光密介质
总结为：在光疏介质一侧的光线与法线
的夹角较大
2）测定折射率的实验
• 多种方案
• 实验基本原理
• 可能的错误和误差
• 对照引入的例子，可以
进行理论分析
A'
A
• 视深问题

OA
sin  n t an
h

h
 


sin  1 t an OA h
h
o
A

r
h’
s’
r
s
·
h
h
h 
n
2、第二节 全反射
1）全反射规律（理论联系实际）
sin i
• 演示实验，观察现象并总结
 n疏对密
sin r
• 结合折射定律讨论
• 总结出出全反射条件和临界角公式
1
sin C 
n
2）全反射现象的实例
• 全反射棱镜（折射率要求）
• 光导纤维（材料要求）
• 玻璃弯棒或水流导光（演示）
• 尽量多演示现象或者展示图
片，说明相关原理，介绍应用
• 全反射测定折射率
3、第三节 光的干涉
1）通过演示实验建立学生对于干涉现象的感性认识
• 了解装置结构
• 总结干涉条纹特点
单
色
光
S1
S2
屏
挡
板
2）适当回顾波的干涉原理，唤起学生记忆
启发学生经过对比，实现知识的迁移
3）根据波的性质得出明暗条纹的光程差条件
4、第四节 实验：用双缝干涉测量光的波长
1）完成理论准备，推出公式
2）进行实验
• 更换滤色片，使学生获得色彩和波长对应关系的
感性认识
• 注意指导学生根据螺旋测微器原理使用测量头
3）根据实验和所给不同条件获得的衍射条纹，结合
公式，总结影响干涉条纹间距的因素
4）对白光干涉条纹的讨论
5）有条件可以使用DIS传感器做双缝干涉实
验，不仅可以看到条纹的分布是等间距的，
还能看到能量（亮度）方面的信息，了解
到各亮纹亮度基本相同是对中间区域的亮
纹而言的。
5、第五节 光的衍射
1）从波的衍射到光的衍射
2）让学生看到衍射
• 单缝衍射（对条纹性质和影响
条纹的条件进行比较和总结）
• 圆孔衍射
• 泊松亮斑
• 衍射光栅
• 传感器衍射
• 羽毛光栅、游标卡尺单缝
3）出现明显的衍射现象的条件
4）介绍X射线衍射与双螺旋
6、第六节 光的偏振
1）横波偏振的解释
2）偏振片实验（多准备一些）
• 学生通过两个偏振片观察，
并转动
• 教师用光源通过两个偏振
片演示
3）启发学生解释看到的现象
得出：光是横波、自然光
和偏振光的概念
4）用偏振片观察反射光
5）偏振现象的应用
• 摄影器材中的偏光镜
• 液晶的显示原理
（用偏振片观察计算器）
• 立体电影
• 启发学生思考利用
偏振现象，如汽车
防眩光
7、第七节 光的颜色 色散
1）颜色的实质
2）色散的定义：含有多种颜色的光被分解为单色光
的现象。棱镜折射、干涉、衍射都可以产生色散
现象。
3）薄膜干涉
• 肥皂膜的薄膜干涉现象观察及原理
• 可用两边玻璃片夹入纸片观察
• 增透膜原理分析（拓展到增反膜）
• 检查平面平整度
• 牛顿环
8、第八节 激光
1）激光的性质和应用可以播放一些视频资料
• 相干光（通信）
• 平行度好（测距、数据记录）
• 亮度高（手术、焊接、切割打孔、核聚变）
2）全息照相
• 全息照相的具体原理不要求掌握
• 知道全息照相是干涉原理的应用
• 利用了激光的相干性
第十四章 电磁波
一）本章总体教学思路
1、以物理学的发展为线索，回顾法拉第、麦
克斯韦、赫兹的研究及其工作的相关性，
体现科学的发展历程
2、结合电容电感的性质，理解电磁振荡
3、通过实例，了解电磁波的发射和接受
4、通过举例，了解电磁波谱各波段的性质和
应用
二）各节教学建议
1、第一节 电磁波的发现
1）从学生现实生活引入
2）麦克斯韦在法拉第的基础上，总结了一大批
其他科学家的成果，建立了经典电磁场理论，
地位堪比牛顿在力学中的贡献。
3）麦克思维电磁理论简介
4）麦克斯韦对于电磁波的预言
5）赫兹实验
• 重现赫兹实验
6）学生掌握中需要强调的要求
• 电磁波的性质
• 麦克斯韦理论的应用
2、第二节 电磁振荡
1）复习电容的性质，突出电容器充电放电过
程电流方向与两板带电的关系；
2）复习电感的性质，突出电感阻碍电流变化
时自感电动势的方向与电流方向的关系；
3）电磁振荡过程研究
• 实验演示：电磁振荡装置，根据条件可以选用电
流表、示波器、DIS传感器观察（后两者比较理
想），并且可以更换不同电容电感元件，比较电
容和自感系数对振荡频率的影响
• 理论推导（基于电容电感的性质）
4）定性讨论L、C大小对频率的影响，给出结论
T  2 LC
f 
1
2 LC
3、第三节 电磁波的发射和接受
1）困难：学生陌生的领域，概念名称容易混淆
2）对策：实验与电路对照
• 通过演示装置，演示电磁波发射接收的过程，在
各环节说明原理，并用示波器观察信号的波形。
• 观看演示上述过程的录像
• 对照电路图，熟悉信号流程，掌握各环节名称
3）相关概念
4、第四节 电磁波与信息化社会
结合课本，适当充分拓展，激发学生兴趣
5、第五节 电磁波谱
1）电磁波谱
• 按照波长频率的顺序记忆各波段名称，从光子能量、衍射
能力角度看出普遍规律，再结合例子，掌握特殊性质
2）无线电波：长波中波短波的传播方式
3）红外线：热效应、热成像、遥感
4）可见光：大气的选择性吸收
5）紫外线：荧光效应、高能量和生物效应
6）X射线和γ射线：高能量、贯穿能力、生物效应
7）电磁波传递能量：微波炉原理
8）太阳辐射：自然选择
第十五章 相对论简介
一）本章总体教学思路
1、通过教学，使学生知道狭义相对论的两个基本假设
和几个主要结论；初步了解广义相对论的几个主要观
点；但不强求推出每个结论，能运用结论判断一般问
题即可。
2、抓住几个具体问题的讨论，让学生接受相对论的客
观性（不能太复杂，以同时的相对性为突破口）。
3、介绍相对论的结论获得的事实证明
4、从科学观角度理解相对论时空观和经典时空观的差
异，认识到人类对于自然的认识是一个不断发展的过
程。
本章开始时对学生说的话：
• 随着科学的发展，人类对世界的认识也越来越准
确，我们学习的牛顿力学是准确的吗？
• 相对论是关于时空和引力的基本理论，揭示了更
广泛的条件下，宇宙自然的规律。
• 本章，我们避开深奥的内容，主要对其基本原理
和主要结论进行认识和了解。
• 这些结论可以被理论和事实所检验证明是正确的，
但你会发现相对论的结论与日常生活的经验有较
大差别甚至矛盾，这也正是我们理解相对论的困
难所在。
• 相对论几乎颠覆了我们对于时空的观念，这也正
是每一次科学革命带给人们的感受。
二）各节教学建议
1、第一节 相对论的诞生
1）历史的回顾 “两朵乌云”（问题往往孕育着发现）
2）伽利略相对性原理：力学规律在任何惯性系中都是
相同的。（具体速度不同，规律相同）
• 复习惯性系概念
• 封闭车厢内判断静止还是匀速
• 伽利略变换
3）电磁理论的参考系问题，光速为c的参考系？光
速是否遵守伽利略变换？（举一个极端例子）
4）光速对那个参考系为c?光速为c，是电磁理论的
一部分，那么电磁规律又对哪个参考系成立？
（介绍当时人们关于“以太”的假设）
迈克尔孙莫雷实验（原理选讲）
5）前面的讨论造成的矛盾和疑惑的基础上，爱因斯
坦提出狭义相对论的两个基本假设
• 狭义相对性原理——没有特殊的参考系，一切物
理规律（力学、电磁等）在不同的惯性系中都是
相同的。
• 光速不变原理——光在真空中的传播速度在不同
的惯性系中测得的数值都是相同的
2、第二节 时间和空间的相对性
1）“同时”的相对性
通过课件的情景，先分析后演示，研究下列情况：
• 运动火车上同时的事件，对地面观察者则不是同
时的
• 地面上看同时的事件，对运动火车上观察者则不
是同时的（以动车为参考系）
“同时”的相对性源于
光速不变原理
2）长度的相对性
• 课本例子可直接用于推导
• 长度相对性基于同时相对性，根本上说也就是出自光速不
变原理
• 相对杆静止的观察者测量的杆长最长，为杆的固有长度，
相对杆运动的观察者去量杆长变短
• 长度收缩只发生在运动的方向，垂直运动方向不收缩
v
l  l0 1   
c
2
3）时间间隔的相对性
• 课本在长度相对性公式的基础上，
除以速度，得到时间间隔的相对
性公式
• 车上的钟相对于墨水瓶静止，计
时为Dt
• 运动的时钟变慢
l l
Dt：（固有时最短）与物理过程
相对静止的参考系测得的时间间
隔
Dt：与物理过程相对运动的参考
系测得的时间间隔
• 运动时钟延缓：
运动参考系中的物理过程延缓
• 时钟延缓是相对的
0
v
1  
c
2
Dt 
Dt
v
1  
c
2
时间间隔相对性也可以直接由光速不变定性地推出来
4）时空相对性的验证
• 以上结论都基于两条基本假设，所以尚需验证
• m子能够到达地面的解释：尺短、钟慢两种方法
• 铯原子钟实验
• 相对论能够为人们广泛接受，主要是因为他的所
有结论不但得到了完全证实，而且成为微观粒子
研究的基础之一。
5）相对论时空观与经典的绝对时空观
• 两者的主要观点：物质的运动改变时空，绝对时空
• 人类认识的发展
• 经典时空观的地位
3、第三节 狭义相对论的其他结论
1）速度变换公式
• 关键是了解它和伽利略变换的区别与联系，
无需记忆
2）相对论质量
• 关键是了解静止质量，运动后质量变大
• 由此产生的影响，如加速器
m0
m
2
2
3）质能方程： E  mc
v
1  
质量为动质量
c
有兴趣的同学可以研究动能的表达式
4、第四节 广义相对论简介
1）超越狭义相对论的思考
• 万有引力传播速度问题
• 惯性系特殊地位问题
2）广义相对性原理和等效原理
• 广义相对性原理
• 等效原理：一个均匀的引力场，于一个做匀加速直线运动
的参考系等价
3）广义相对论的几个结论
• 引力导致光线弯曲：日食是的观测证据
（引力等效为加速参考系）
• 透镜效应
• 引力红移（简单介绍）
• 时间减缓（简单介绍）
• 空间弯曲（简单介绍）
• 共同性质：
物质的分布改变时空性质
按照广义相对论，在局部惯性系内，不存在
引力，一维时间和三维空间组成四维平坦的欧几
里得空间；在任意参考系内，存在引力，引力引
起时空弯曲，因而时空是四维弯曲的非欧黎曼空
间。爱因斯坦找到了物质分布影响时空几何的引
力场方程。时间空间的弯曲结构取决于物质能量
密度、动量密度在时间空间中的分布，而时间空
间的弯曲结构又反过来决定物体的运动轨道。
在引力不强、时间空间弯曲很小情况下，广
义相对论的预言同牛顿万有引力定律和牛顿运动
定律的预言趋于一致；而引力较强、时间空间弯
曲较大情况下，两者有区别。
欢迎批评指正！
谢谢！