相對論時空觀與牛頓力學的局限性+教學設(shè)計 高一下學期物理人教版（2019）必修第二冊

教學設(shè)計

課程基本信息學科物理年級高一學期春季課題相對論時空觀與牛頓力學的局限性教學目標1.知道愛因斯坦狹義相對論的基本假設(shè)，知道長度相對性和時間間隔相對性的表達式。2.感受牛頓力學在高速世界與事實的矛盾，知道牛頓力學只適用于低速、宏觀物體的運動。3.知道相對論、量子論有助于人類認識高速、微觀領(lǐng)域。4.了解宇宙起源的大爆炸理論，知道科學真相是相對的，未知世界必將在人類不懈的探索中被揭開更多的謎底。教學內(nèi)容教學重點：1.相對論時空觀。

2.牛頓力學的局限性。

教學難點：1.相對論時空觀。教學過程任務(wù)一：了解牛頓力學時空觀時空觀指的是關(guān)于時間和空間的根本觀點。經(jīng)典力學認為，時間和空間都是絕對的。當一列火車勻速駛過一個站臺，車上的人以火車為參考系，站臺上的人以地面為參考系，他們觀測到的火車的長度是相等的。在某節(jié)車廂的前后兩端各放置一個煙花，并由車上的人將兩個煙花同時點燃，那么站臺上的人觀測到，這兩個煙花的燃起也是同時的。時間與空間都是獨立于物體及其運動而存在的，這就是絕對時空觀，也叫牛頓力學時空觀。任務(wù)二：了解狹義相對論的兩個基本假設(shè)1905年6月愛因斯坦發(fā)表了著名的論文《論運動物體的電動力學》也就是狹義相對論！狹義相對論的兩個基本假設(shè)是：1、相對性原理：在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的2、光速不變原理：真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的任務(wù)三：了解相對論時空觀與經(jīng)典力學時空觀的不同我們在一列火車的車廂中央放置一個光源，當它沿平直軌道飛快地勻速行駛時，光源發(fā)出了一個閃光，閃光將照到車廂的前壁和后壁。我們將閃光到達前壁稱為事件A，將閃光到達后壁稱為事件B車上的觀察者以車廂為參考系，事件A和事件B會同時發(fā)生嗎？閃光是否同時到達前壁和后壁？車上的觀察者以車廂為參考系，因為車廂勻速運動，是一個慣性參考系，則光向前向后傳播的速率相同，而光源又在車廂的中央，閃光會同時到達前后兩壁。也就是說事件A和事件B是同時發(fā)生的。請大家再思考：地面參考系中的觀察者，會認為事件A和事件B會同時發(fā)生嗎？當然我們認為觀察者會根據(jù)事件發(fā)生到感知所需要的時間，去推算事件發(fā)生的時刻。首先，對于地面參考系中的觀察者來說，所以閃光向前向后傳播的速率也是相同的。光剛從光源發(fā)出時，前壁與后壁離光源是等距的；但是在閃光傳播的過程中，車廂也向前行進了一段距離，我們可以從動畫中看到，前壁與后壁離光發(fā)出時的位置不相等了，當向后傳播的閃光到達車廂后壁的時候，向前傳播的閃光還未到達前壁，所以他觀測到的結(jié)果應(yīng)該是：閃光先到達后壁，后到達前壁。也就是說，事件A和事件B不是同時發(fā)生的。通過上述分析我們看到，對于火車參考系來說同時發(fā)生的事件，對于地面參考系來說卻不是同時發(fā)生的，這就是同時性的相對性，這就說明時間不是絕對的，而是相對的。任務(wù)四：了解時間間隔相對性和長度相對性的數(shù)學表達式在愛因斯坦兩個假設(shè)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過嚴格的數(shù)學推導(dǎo)，可以得到系統(tǒng)完整的狹義相對論時空觀。下面介紹該時空觀中兩個完全不同于經(jīng)典時空的效應(yīng)。相對地面以速度v勻速行駛的火車，某乘客在火車上某一位置，完成了一個動作，完成動作的時間就是動作開始和動作結(jié)束這兩個事件之間的時間間隔，若在火車參考系中這兩事件發(fā)生在同一位置，測得兩個事件時間間隔為，地面上的人觀察，由于該乘客跟著火車一起運動，認為兩個事件發(fā)生在不同的位置，若測得兩個事件的時間間隔為，狹義相對論時空觀會認為與之間會有這樣的關(guān)系……，其中v是火車相對地面的速度大小，由該式子可看出>,也就是說地上觀察者觀測到車上的人就像是在做慢動作一樣。如果動作換成是靜止于火車的鐘，秒針從指零走一圈到再次指零，那么，火車參考系中會認為發(fā)生在同一位置兩次指零事件的時間間隔為=1min，地面參考系中的觀測，兩事件發(fā)生在不同的位置，根據(jù)公式，會認為時間間隔大于一分鐘，也就是說地面觀察者會認為這個跟著火車一起運動的鐘，走得比較慢。此種情況稱為時間延緩效應(yīng)，又叫鐘慢效應(yīng)。通過公式，不難得出，當v=0.8c時，=，這也就意味著，當一列火車以0.8c的速度勻速行駛時，車上的乘客觀察到過去了3分鐘的時間，而對于地面的觀察者來說，時間已經(jīng)過去了5分鐘。當一個人乘坐一艘v=0.96c的航天器星際航行時，根據(jù)公式可得=，也就是說，當?shù)厍蛏系娜硕冗^了50年，這個星際旅行的人才度過了14年的時間。我們常常在科幻電影中看到這樣的場景，某人去宇宙星際旅行，等他回來的時候，地球上的朋友親人都已經(jīng)老去，他卻還是年輕的樣子，就是因為相對論效應(yīng)。速度越大，相對論效應(yīng)就越明顯。相對地面以速度v勻速行駛的火車，地面上的人測得的車廂長度是l，火車上的人測得的車廂的長度是l0，兩者之間的關(guān)系是，由于物體的速度不可能達到光速，總有<，此種情況稱為長度收縮效應(yīng)，又叫尺縮效應(yīng)。根據(jù)公式，可以得出，當v=0.8c時，=，這也就意味著，當火車以0.8c的速度勻速行駛時，車上的乘客眼中25m長的車廂，對于地面的觀察者來說只有15m。若火車的速度增加到了v=0.96c，根據(jù)公式可得=，車上乘客看到的25m的車廂，在地面的觀察者看來只有7m。同樣也是速度越大，相對論效應(yīng)就越明顯。通過剛才的講解，我們了解到，運動物體的時間進程和空間距離都跟物體的運動狀態(tài)有關(guān)，時間和空間都不是絕對的，而是相對的，這就是狹義相對論的時空觀。任務(wù)五：狹義時空觀的驗證為了驗證這個表達式是否正確，首先要找到高速運動的物體，顯然我們的火車和飛船所能達到的速度還不夠大。這里我們要認識一種微觀粒子——μ子，它是科學家在研究宇宙射線時發(fā)現(xiàn)的，能以0.99c甚至更高的速度飛行。但是μ子的壽命很短，當它從宇宙中飛來，我們可以根據(jù)經(jīng)典理論算出每秒到達地球的μ子的個數(shù)，再去對比我們真正觀察到的μ子的個數(shù)，發(fā)現(xiàn)觀察到的個數(shù)比利用經(jīng)典理論計算得到的個數(shù)多。當經(jīng)典理論無法解釋這個問題時，就讓我們一起換一個角度，用狹義相對論的時空觀來看一下這個問題吧。已知μ子低速運動時的平均壽命是3.0微秒，當μ子以0.99c的速度飛行時，若選擇以μ子為參考系，它的平均壽命是多少？以μ子為參考系，它的平均壽命就是3.0微秒。對于地面的觀察者來說，平均壽命又是多少呢？對于地面的觀察者來說，μ子以0.99c的速度飛行，根據(jù)相對論效應(yīng)可以算出，μ子的平均壽命增加到了21微秒。它的壽命變長了，能夠到達地球的μ子數(shù)自然就增加了。經(jīng)典理論無法解釋的問題，用相對論時空觀就得到了很好的解釋，這一研究成果就成了相對論時空觀的最早證據(jù)。相對論時空觀的第一次宏觀驗證是在1971年進行的。科學家們在地面上將四只銫原子鐘調(diào)整同步，然后把它們分別放在兩架噴氣式飛機上作環(huán)球飛行，一架向東飛，另一架向西飛。兩架飛機各繞地球飛行一周后回到地面，與留在地面上的銫原子鐘進行比較。實驗結(jié)果與相對論的理論預(yù)言符合得很好。任務(wù)六：狹義相對論的一些應(yīng)用（學習資源可自行觀看）在相對論被提出的這一百多年中，科學家們在很多領(lǐng)域得到的實驗數(shù)據(jù)都很好與相對論的預(yù)測符合，同時也在很多領(lǐng)域有了應(yīng)用。比如我們的衛(wèi)星導(dǎo)航，為了得到精確的導(dǎo)航，就需要利用相對論原理進行時間的修正。老師在學習任務(wù)單上羅列了一些推薦的學習資源，大家可以在課后自行觀看。任務(wù)七：牛頓力學的局限性通過前面的學習，我們已經(jīng)知道，物體在以接近光速運動時所遵從的規(guī)律，有些是與牛頓力學的結(jié)論并不相同的，所以牛頓力學是有局限性的。除此之外，牛頓力學在其他方面是否也有局限性呢？請大家自行閱讀教材第68頁，牛頓力學的成就與局限性來尋找一下答案。通過教材的閱讀，我們可以總結(jié)出，牛頓力學只適用于低速、宏觀物體的運動。微觀粒子的運動規(guī)律則需要用量子力學來說明。那么，這是不是意味著我們要摒棄牛頓力學呢？大家一定也在