《5相对论时空观与牛顿力学的局限性》设计

《5.相对论时空观与牛顿力学的局限性》教学设计教学目标与核心素养教学目标1.知道以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围。2.知道相对论、量子力学和经典力学的关系。3.通过对牛顿力学适用范围的讨论，使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围，认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神。核心素养物理观念：了解相对论-量子论的建立对人类深入认识客观世界的作用，知道物理学改变人们世界观的作用。科学思维：经历科学家建立相对论和量子论的思维探索过程，认识科学思维的意义。科学探究：通过阅读课文体会一切科学都有自己的局限性，新的理论会不断完善和补充旧的理论，人类对科学的认识是无止境的。科学态度与责任：通过对牛顿力学适用范围的讨论，使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围，认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神。教学重点了解经典力学的局限性。教学难点了解相对论、量子力学与经典力学的关系。教学过程导入经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更是树立了人们对牛顿物理学的尊敬。通过前面的学习，我们知道从天体的运动到地面上的各种物体的运动，从大气的流动到地壳的变动，所有这些都服从经典力学规律。那么，是不是任何情境下都遵从经典力学的规律呢？一、牛顿力学时空观时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的。这种绝对时空观，也叫牛顿力学时空观。在牛顿力学时空观里，时间像一条看不见的“长河”，均匀地自行流逝着，空间像一个广阔无边的房间，它们都不影响物体及其运动。所以不管选什么参考系，不管物体怎么运动，物体的时间、长度、质量等等的测量结果肯定是一样的。思考1：若河中的水以相对于岸的速度v水岸流动，河中的船以相对于水的速度v船水顺流而下，则船相对于岸的速度v船岸如何表示？v船岸＝v船水＋v水岸思考2：设想人类可以利用飞船以0.2c的速度进行星际航行。若飞船向正前方的某一星球发射一束激光，该星球上的观察者测量到的激光的速度是否为1.2c？出示图片：飞船向正前方的某一星球发射一束激光问题的答案似乎应为1.2c，然而，事实并非如此！因为经典力学不再适用。经典力学只适用于解决低速运动问题，不能用来处理高速运动问题，要解决这一问题就需要用到相对论时空观。二、相对论时空观思考：19世纪，英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了电磁波的存在，并证明电磁波的传播速度等于光速C这个速度是相对哪个参考系而言的？出示图片：麦克斯韦英国物理学家、数学家出示图片：迈克尔逊：波兰裔美国藉物理学家。1887年的迈克耳孙—莫雷实验以及其他一些实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的所以证明电磁波的传播速度等于光速c，无论对于哪个参考系而言都是一样的。1.爱因斯坦的两个假设（1）相对性原理：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；表明在任何惯性系中研究某个物体的某一运动过程，其运动规律形式不变。（2）光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。表明了经典时空观与相对论时空观的不同。2.相对论时空观的内容认为时间和空间是相互联系、相互影响的，并且与物质的存在及运动有关。思考讨论：在经典物理学中，如果两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中一定也是同时的。但是，如果按照爱因斯坦的两个假设，结论还是这样吗？根据爱因斯坦假设：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的，两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中不一定也是同时的。例如：假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶。车厢中央的光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁。（1）车上的观察者以车厢为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗？（1）车下的观察者来说，以地面为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗？甲参考答案：（1）如图甲所示：因为车厢是个惯性系，闪光向前、后传播的速率相同，光源又在车厢的中央，闪光当然会同时到达前后两壁。根据爱因斯坦的假设：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的，所以他以地面为参考系，闪光向前、后传播的速率对地面也是相同的。在闪光飞向两壁的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些即：闪光先到达后壁，后到达前壁因此，这两个事件不是同时发生的。3.时间延缓效应如果相当于地面以v运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ，地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt，则由于1－<1，所以总有Δt>Δτ，此种情况称为时间延缓效应。4.长度收缩效应如果与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以v相对杆运动的人测得杆长是l，那么两者之间的关系是由于1－<1，所以总有l<l0，此种情况称为长度收缩效应。（1）式和（2）式表明：运动物体的长度（空间距离）和物理过程的快慢（时间进程）都跟物体的运动状态有关。这个结论具有革命性的意义，它所反映的时空观称作相对论时空观。爱尔兰物理学家佛兹杰拉德提出，物质会在运动的方向上收缩（缩小），这意味着根据一个静止观察者的观点，一枚以接近光线运行的火箭所表现出的长度会比它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。爱因斯坦指出，任何物体以光速运动时，其长度将会缩短为零。思考与讨论：已知µ子低速运动时的平均寿命是3.0µs。当µ子以0.99c的速度飞行，若选择µ子为参考系，此时µ子的平均寿命是多少？对于地面上的观测者来说，平均寿命又是多少？相对于光速而言，低速运动即可近似认为速度为0，即若选择与µ子一起运动的某一物体为参考系，此时µ子的平均寿命是3.0µs。对于地面上的观测者来说狭义相对论认为时间不是绝对的（即固定不变的），爱因斯坦指出，随着物体（观察者所见到的）运动速度的加快，时间会变慢。思考：相对论时空观的第一次宏观验证是在1971年进行的。当时在地面上将四只铯原子钟调整同步，然后把它们分别放在两架喷气式飞机上做环球飞行，一架向东飞，另一架向西飞。两架飞机各绕地球飞行一周后回到地面，与留在地面上的铯原子钟进行比较。它们的时间有什么不同？根据狭义相对论，随着物体（观察者所见到的）运动速度的加快，时间会变慢。向东飞行时铯原子钟的度数比地球上的铯原子钟慢了这是因为向东飞行速度比地面上的大；而向西飞行的铯原子钟比地球上的快了，这是因为向西飞飞机的速度和地球自转相抵消，它们的速度比地面上的小；知识拓展1.狭义相对论按照狭义相对论而言，物体运动时质量会随着物体运动速度增大而增加(质速关系)，同时，空间和时间也会随着物体运动速度的变化而变化，即会发生尺缩效应和钟慢效应。质速关系：m0是物体静止时的质量，m是物体速度为v时的质量，c是真空中的光速。2.从弱引力到强引力按牛顿的万有引力定律推算，行星应该沿着一些椭圆做周期性运动，而天文观测表明，行星的轨道并不是严格闭合的，它们的近日点在不断地旋进，如水星的运动，由经典力学与行星轨道的矛盾说明了什么？参考答案：经典力学只适用于弱引力场，而不适用于强引力场。三、牛顿力学的成就与局限性像一切科学一样，牛顿力学没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性。它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交响曲”。1.牛顿力学的成就（1）经典力学的基础是牛顿运动定律，牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔区域，包括天体力学的研究中，经受了实践的检验，取得了巨大的成就。（2）。牛顿运动三定律和万有引力定律把天体的运动与地面上物体的运动统一起来，是人类对自然界认识的第一次大综合，是人类认识史上的一次重大飞跃。牛顿力学在如此广阔的领域里与实际相符合，显示了牛顿运动定律的正确性和牛顿力学的魅力2.局限性（1）物体在以接近光速运动时所遵从的规律，有些是与牛顿力学的结论并不相同的。所以经典力学只适用于物体的低速运动。（2）在微观世界中，发现了电子、质子、中子等微观粒子，而且发现它们不仅具有粒子性，同时还具有波动性，量子力学能很好地描述微观粒子的运动规律。经典力学不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象（3）经典力学规律只在惯性参考系中成立经典力学规律只能用于宏观、低速（与光速相比）的情形，且只在惯性参考系中成立。说明（1）基于实验检验的牛顿力学不会被新的科学成就所否定，而是作为某些条件下的特殊情形，被包括在新的科学成就之中。（2）当物体的运动速度远小于光速c时（c＝3×108m/s），相对论物理学与经典物理学的结论没有区别；（3）当另一个重要常数即普朗克常量h可以忽略不计时（h＝6.63×10-34J·s），量子力学和牛顿力学的结论没有区别。（4）相对论与量子力学都没有否定过去的科学，而只认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形。科学漫步1.宇宙的起源与演化我们的宇宙是在约138亿年以前从一个尺度极小的状态发展演化来的。在这个过程中，宇宙的温度从高到低，先是生成一些基本粒子形态的物质，接着产生了原子、分子等各种物质，物质再进一