相对论时空观与牛顿力学的局限性+教学设计 高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

教学设计

课程基本信息学科物理年级高一学期春季课题相对论时空观与牛顿力学的局限性教学目标1.知道爱因斯坦狭义相对论的基本假设，知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。2.感受牛顿力学在高速世界与事实的矛盾，知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。3.知道相对论、量子论有助于人类认识高速、微观领域。4.了解宇宙起源的大爆炸理论，知道科学真相是相对的，未知世界必将在人类不懈的探索中被揭开更多的谜底。教学内容教学重点：1.相对论时空观。

2.牛顿力学的局限性。

教学难点：1.相对论时空观。教学过程任务一：了解牛顿力学时空观时空观指的是关于时间和空间的根本观点。经典力学认为，时间和空间都是绝对的。当一列火车匀速驶过一个站台，车上的人以火车为参考系，站台上的人以地面为参考系，他们观测到的火车的长度是相等的。在某节车厢的前后两端各放置一个烟花，并由车上的人将两个烟花同时点燃，那么站台上的人观测到，这两个烟花的燃起也是同时的。时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的，这就是绝对时空观，也叫牛顿力学时空观。任务二：了解狭义相对论的两个基本假设1905年6月爱因斯坦发表了著名的论文《论运动物体的电动力学》也就是狭义相对论！狭义相对论的两个基本假设是：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任务三：了解相对论时空观与经典力学时空观的不同我们在一列火车的车厢中央放置一个光源，当它沿平直轨道飞快地匀速行驶时，光源发出了一个闪光，闪光将照到车厢的前壁和后壁。我们将闪光到达前壁称为事件A，将闪光到达后壁称为事件B车上的观察者以车厢为参考系，事件A和事件B会同时发生吗？闪光是否同时到达前壁和后壁？车上的观察者以车厢为参考系，因为车厢匀速运动，是一个惯性参考系，则光向前向后传播的速率相同，而光源又在车厢的中央，闪光会同时到达前后两壁。也就是说事件A和事件B是同时发生的。请大家再思考：地面参考系中的观察者，会认为事件A和事件B会同时发生吗？当然我们认为观察者会根据事件发生到感知所需要的时间，去推算事件发生的时刻。首先，对于地面参考系中的观察者来说，所以闪光向前向后传播的速率也是相同的。光刚从光源发出时，前壁与后壁离光源是等距的；但是在闪光传播的过程中，车厢也向前行进了一段距离，我们可以从动画中看到，前壁与后壁离光发出时的位置不相等了，当向后传播的闪光到达车厢后壁的时候，向前传播的闪光还未到达前壁，所以他观测到的结果应该是：闪光先到达后壁，后到达前壁。也就是说，事件A和事件B不是同时发生的。通过上述分析我们看到，对于火车参考系来说同时发生的事件，对于地面参考系来说却不是同时发生的，这就是同时性的相对性，这就说明时间不是绝对的，而是相对的。任务四：了解时间间隔相对性和长度相对性的数学表达式在爱因斯坦两个假设的基础上，经过严格的数学推导，可以得到系统完整的狭义相对论时空观。下面介绍该时空观中两个完全不同于经典时空的效应。相对地面以速度v匀速行驶的火车，某乘客在火车上某一位置，完成了一个动作，完成动作的时间就是动作开始和动作结束这两个事件之间的时间间隔，若在火车参考系中这两事件发生在同一位置，测得两个事件时间间隔为，地面上的人观察，由于该乘客跟着火车一起运动，认为两个事件发生在不同的位置，若测得两个事件的时间间隔为，狭义相对论时空观会认为与之间会有这样的关系……，其中v是火车相对地面的速度大小，由该式子可看出>,也就是说地上观察者观测到车上的人就像是在做慢动作一样。如果动作换成是静止于火车的钟，秒针从指零走一圈到再次指零，那么，火车参考系中会认为发生在同一位置两次指零事件的时间间隔为=1min，地面参考系中的观测，两事件发生在不同的位置，根据公式，会认为时间间隔大于一分钟，也就是说地面观察者会认为这个跟着火车一起运动的钟，走得比较慢。此种情况称为时间延缓效应，又叫钟慢效应。通过公式，不难得出，当v=0.8c时，=，这也就意味着，当一列火车以0.8c的速度匀速行驶时，车上的乘客观察到过去了3分钟的时间，而对于地面的观察者来说，时间已经过去了5分钟。当一个人乘坐一艘v=0.96c的航天器星际航行时，根据公式可得=，也就是说，当地球上的人度过了50年，这个星际旅行的人才度过了14年的时间。我们常常在科幻电影中看到这样的场景，某人去宇宙星际旅行，等他回来的时候，地球上的朋友亲人都已经老去，他却还是年轻的样子，就是因为相对论效应。速度越大，相对论效应就越明显。相对地面以速度v匀速行驶的火车，地面上的人测得的车厢长度是l，火车上的人测得的车厢的长度是l0，两者之间的关系是，由于物体的速度不可能达到光速，总有<，此种情况称为长度收缩效应，又叫尺缩效应。根据公式，可以得出，当v=0.8c时，=，这也就意味着，当火车以0.8c的速度匀速行驶时，车上的乘客眼中25m长的车厢，对于地面的观察者来说只有15m。若火车的速度增加到了v=0.96c，根据公式可得=，车上乘客看到的25m的车厢，在地面的观察者看来只有7m。同样也是速度越大，相对论效应就越明显。通过刚才的讲解，我们了解到，运动物体的时间进程和空间距离都跟物体的运动状态有关，时间和空间都不是绝对的，而是相对的，这就是狭义相对论的时空观。任务五：狭义时空观的验证为了验证这个表达式是否正确，首先要找到高速运动的物体，显然我们的火车和飞船所能达到的速度还不够大。这里我们要认识一种微观粒子——μ子，它是科学家在研究宇宙射线时发现的，能以0.99c甚至更高的速度飞行。但是μ子的寿命很短，当它从宇宙中飞来，我们可以根据经典理论算出每秒到达地球的μ子的个数，再去对比我们真正观察到的μ子的个数，发现观察到的个数比利用经典理论计算得到的个数多。当经典理论无法解释这个问题时，就让我们一起换一个角度，用狭义相对论的时空观来看一下这个问题吧。已知μ子低速运动时的平均寿命是3.0微秒，当μ子以0.99c的速度飞行时，若选择以μ子为参考系，它的平均寿命是多少？以μ子为参考系，它的平均寿命就是3.0微秒。对于地面的观察者来说，平均寿命又是多少呢？对于地面的观察者来说，μ子以0.99c的速度飞行，根据相对论效应可以算出，μ子的平均寿命增加到了21微秒。它的寿命变长了，能够到达地球的μ子数自然就增加了。经典理论无法解释的问题，用相对论时空观就得到了很好的解释，这一研究成果就成了相对论时空观的最早证据。相对论时空观的第一次宏观验证是在1971年进行的。科学家们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作环球飞行，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。实验结果与相对论的理论预言符合得很好。任务六：狭义相对论的一些应用（学习资源可自行观看）在相对论被提出的这一百多年中，科学家们在很多领域得到的实验数据都很好与相对论的预测符合，同时也在很多领域有了应用。比如我们的卫星导航，为了得到精确的导航，就需要利用相对论原理进行时间的修正。老师在学习任务单上罗列了一些推荐的学习资源，大家可以在课后自行观看。任务七：牛顿力学的局限性通过前面的学习，我们已经知道，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，所以牛顿力学是有局限性的。除此之外，牛顿力学在其他方面是否也有局限性呢？请大家自行阅读教材第68页，牛顿力学的成就与局限性来寻找一下答案。通过教材的阅读，我们可以总结出，牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。微观粒子的运动规律则需要用量子力学来说明。那么，这是不是意味着我们要摒弃牛顿力学呢？大家一定也在