Giáo án Vật lý - Bài: Thuyết tương đối hẹp

THUYẾT TƯƠNG ĐỐI HẸP I / MỤC TIÊU : Hiểu được sự tất yếu của việc ra đời thuyết tương đối hẹp. Hiểu được các tiên đề Anh-xtanh. Biết một số kết quả của thuyết tương đối hẹp; hiểu hệ thức Anh-xtanh giữa năng lượng và khối lượng. II / CHUẨN BỊ : 1 / Giáo viên : Chuẩn bị một vài mẩu chuyện viễn tưởng về thuyết tương đối hẹp (chẳng hạn nội dung một số phim truyện viễn tưởng). 2 / Học sinh : Ôn lại một số kiến thức về Cơ học ở lớp 10 (định luật cộng vận tốc, định luật II Niu-tơn dưới dạng độ biến thiên động lượng). III / GỢI Ý VỀ TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG DẠY – HỌC : Hoạt động của học sinh Hoạt động của giáo viên Hoạt động 1 : HS : Xem SGK trang 282 sau tựa đề. HS : Vận tốc c của ánh sáng truyền trong chân không là không đổi đối với mọi hệ quy chiếu. HS : Xem SGK trang 283 HS : 3.108 ( m / s ). HS : Thả một vật rơi tự do trên con tàu (hoặc trên máy bay) chuyển động đều. Hoạt động 2 : HS : Xem SGK trang 283 HS : Chứng minh công thức 67.1 trang 283 trong SGK. HS : Chiều dài của thanh đã bị co lại theo phương chuyển động. HS : Chứng minh công thức 67.2 trang 283 trong SGK. HS : Thời gian là tương đối. HS : Quan sát hình minh họa. Hoạt động 3 : GV : GV đặt vấn đề vào bài như SGK. GV : GV nêu lên các hạn chế của cơ học cổ điển. GV : GV trình bày hai tiên đề Anh- xtanh. GV : Vận tốc lớn nhất mà em biết có giá trị bằng bao nhiêu ? GV : GV yêu cầu HS nhắc lại nguyên lí tương đối của cơ học cổ điển bằng một ví dụ cụ thể. GV : GV trình bày hệ quả thứ nhất của thuyết tương đối : sự co của độ dài. GV : GV yêu cầu HS làm một bài toán cụ thể để minh họa hệ quả thứ nhất. GV : Nêu ý nghĩa của kết quả thu được. GV : GV yêu cầu HS làm một bài toán cụ thể để minh họa hệ quả thứ hai. GV : Nêu ý nghĩa của kết quả thu HS : Động của 1 vật là đại lượng đo bằng tích của khối lượng và vận tốc của vật. HS : Động lượng là đại lượng đặc trưng cho sự truyền chuyển động giữa các vật tương tác. HS :  F = m  a HS :  F = m  a = m . t vv    ' = t vm         = t p    HS :  p = m .  v = 2 2 0 1 c v m  .  v HS : 2 2 0 1 c v m  HS : m0 HS : Hệ quy chiếu. được. GV : GV tận dụng các hình minh họa 67.1 SGK để giúp HS hình dung cụ thể hơn. GV : Động lượng là gì ? GV : Hãy cho biết ý nghĩa vật lý của động lượng là gì ? GV : Viết biểu thức định luật II Newton biểu diễn mối quan hệ giữa lực, khối lượng và gia tốc ? GV : Viết biểu thức định luật II Niu- tơn dưới dạng độ biến thiên động lượng ? GV : Trong thuyết tương đối, động lượng tương đối tính của một chất điểm chuyển động với vận tốc  v cũng được định nghĩa bằng công thức giống như trong cơ học cổ điển. Viết biểu thức ? GV : Đại lượng nào gọi là khối lượng HS : Để thấy rõ là thông thường ta có : m = mo Hoạt động 4 : HS : E = m . c2 = 2 2 0 1 c v m  . c2 HS : Khi vật có khối lượng m thì nó có một năng lượng E và ngược lại ? HS : Tỉ lệ với nhau. HS : Khối lượng cũng thay đổi một lượng m tương ứng và ngược lại. HS : E = m0 . c2 HS : E  m0 c2 + 2 1 m0 c2 HS : m0 c2 HS : 2 1 m0 c2 HS : Năng lượng nghỉ + động năng HS : Được bảo toàn. tương đối tính ? GV : Đại lượng nào gọi là khối lượng nghỉ. GV : Khối lượng của một vật có tính tương đối, giá trị của nó phụ thuộc vào cái gì ? GV : Tính m với v = 800km/h ( vận tốc trung bình của máy bay phản lực chở khách ) ? GV : GV trình bày hệ thức giữa năng lượng và khối lượng ? GV : GV trình bày ý nghĩa của hệ thức giữa năng lượng và khối lượng ? GV : Hai đại lượng này có mối quan hệ với nhau như thế nào ? GV : Khi năng lượng E thay đổi thì dẫn đến cái gì thay đổi ? GV : Khi v = 0 thì năng lượng E được xác định như thế nào ? GV : Khi v << c thì năng lượng E được HS : Không nhất thiết được bảo toàn. HS : Năng lượng toàn phần xác định như thế nào ? GV : Thế nào là năng lượng nghỉ ? GV : Thế nào là động năng của một vật ? GV : Thế nào là năng lượng toàn phần ? GV : Theo vật lý học cổ điển, đối với hệ kín khối lượng nghỉ và năng lượng nghỉ có đặc điểm gì ? GV : Theo thuyết tương đối, đối với hệ kín khối lượng nghỉ và năng lượng nghỉ có đặc điểm gì ? GV : Theo thuyết tương đối, đối với hệ kín cái gì được bảo toàn ? IV / NỘI DUNG : 1. Hạn chế của cơ học cổ điển 2. Các tiên đề Anh – xtanh Tiên đề I (nguyên lí tương đối) : Hiện tượng vật lí diễn ra như nhau trong các hệ quy chiếu quán tính. Tiên đề II (nguyên lí về sự bất biến của vận tốc ánh sáng) : Vận tốc của ánh sáng trong chân không có cùng độ lớn bằng c trong mọi hệ quy chiếu quán tính, không phụ thuộc vào phương truyền và vào vận tốc của nguồn sáng hay máy thu : Hệ quả : - Sự co của độ dài : Độ dài của một thanh bị co lại dọc theo phương chuyển động của nó; - Sự dãn của khoảng thời gian : Đồng hồ gắn với quan sát viên chuyển động chạy chậm hơn đồng hồ gắn với quan sát viên đứng yên. 3. Hệ thức Anh – xtanh giữa năng lượng và khối lượng. a) Khối lượng tương đối tính Động lượng tương đối tính của một chất điểm chuyển động với vận tốc v được định nghĩa 2 21 omp mv v v c       Trong đó đại lượng m = 2 21 om v c  gọi là khối lượng tương đối tính của chất điểm chuyển động, và mo gọi là khối lượng nghỉ. b) Hệ thức giữa năng lượng và khối lượng E = mc2 = 2 2 21 om c v c  Theo hệ thức này, khi vật có khối lượng m thì nó cũng có một năng lượng E, và ngược lại, khi vật có năng lượng E thì nó có khối lượng m. Hai đại lượng này luôn tỉ lệ với nhau. Khi năng lượng thay đổi lượng E thì khối lượng cũng thay đổi một lượng m tương ứng và ngược lại. E = m.c2 Các trường hợp riêng. + Khi v = 0 thì E = Eo = mo.c2.Eo được gọi là năng lượng nghỉ + Khi v << c (với các trường hợp của cơ học cổ điển) hay v c << 1, ta có 2 22 2 1 11 2 1 v cv c    , và do đó E 2 21 2o o m c m v  Như vậy, khi vật chuyển động, năng lượng toàn phần của nó bao gồm năng lượng nghỉ và động năng của vật. Đối với hệ kín, khối lượng nghỉ và năng lượng nghỉ tương ứng không nhất thiết được bảo toàn, nhưng vẫn có định luật bảo toàn của năng lượng toàn phần E, bao gồm năng lượng nghỉ và động năng. V / CỦNG CỐ VÀ DẶN DÒ : Trả lời câu hỏi 1, 2 Xem bài 69