2024-2025學(xué)年新教材高中物理第5章科學(xué)進(jìn)步無(wú)止境第2節(jié)相對(duì)論中的神奇時(shí)空教案2魯科版必修第二冊(cè)

PAGE1-第2節(jié)相對(duì)論中的奇妙時(shí)空本節(jié)內(nèi)容用狹義相對(duì)論的新時(shí)空觀將得出不同于“日?！睍r(shí)間和空間的奇異結(jié)論（空間和時(shí)間不是獨(dú)立的，物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)也是有聯(lián)系的）。一起先就牢牢抓住學(xué)生的新奇心，在此基礎(chǔ)上，再介紹與相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)的時(shí)間延緩效應(yīng)、長(zhǎng)度收縮效應(yīng)、質(zhì)能關(guān)系以及與物質(zhì)有關(guān)的時(shí)空彎曲現(xiàn)象?；诳茖W(xué)理論的正確性需試驗(yàn)檢驗(yàn)的原則，在本節(jié)的“科學(xué)書屋”欄目和“奇異的時(shí)空彎曲”正文中編入了試驗(yàn)實(shí)證資料。為了說(shuō)明牛頓力學(xué)在宏觀、低速運(yùn)動(dòng)的探討中特別“精確”，但同時(shí)又存在局限性，在“時(shí)間延緩效應(yīng)”和“長(zhǎng)度收縮效應(yīng)”正文中，分別介紹了相對(duì)時(shí)間公式和相對(duì)長(zhǎng)度公式（鑒于學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)問(wèn)的不足，對(duì)公式的來(lái)源未作推導(dǎo)）。這樣，便于學(xué)生利用公式對(duì)宏觀、低速的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行探討，了解牛頓力學(xué)探討宏觀、低速問(wèn)題“精確”的緣由，從而相識(shí)到科學(xué)理論常具有滿意肯定條件的正確性和在肯定相識(shí)階段的穩(wěn)定性。通過(guò)“質(zhì)能關(guān)系”正文、“拓展一步”欄目中“質(zhì)速關(guān)系”以及“科學(xué)書屋”中對(duì)愛因斯坦本人的介紹，讓學(xué)生更多地了解相對(duì)論的內(nèi)容和愛因斯坦對(duì)科學(xué)發(fā)展和對(duì)人類和平的貢獻(xiàn)。物理觀念：能運(yùn)用與相對(duì)論相關(guān)的初步學(xué)問(wèn)說(shuō)明高速世界的一些特點(diǎn)。嘗試建立初步的相對(duì)論時(shí)空觀?？茖W(xué)思維：知道探討高速世界須要建構(gòu)物理模型；知道科學(xué)推理與大膽想象的重要性；能用與狹義相對(duì)論相關(guān)的證據(jù)嘗試說(shuō)明高速世界的一些特點(diǎn)；知道創(chuàng)新對(duì)科學(xué)進(jìn)步的重要意義?？茖W(xué)探究：知道在牢靠的試驗(yàn)事實(shí)基礎(chǔ)上，進(jìn)行科學(xué)推理、合理假設(shè)等科學(xué)探討方法的重要性?？茖W(xué)看法與責(zé)任：通過(guò)學(xué)習(xí)，體會(huì)在科學(xué)探討中不放過(guò)絲毫懷疑、窮根究理的看法和責(zé)任。教學(xué)重點(diǎn)：了解時(shí)間延緩效應(yīng)和長(zhǎng)度收縮效應(yīng)及其相關(guān)計(jì)算公式；了解質(zhì)能關(guān)系及其相關(guān)計(jì)算公式；初步了解時(shí)空彎曲現(xiàn)象；知道牛頓經(jīng)典力學(xué)適用宏觀低速的緣由。2、教學(xué)難點(diǎn)：了解時(shí)間延緩效應(yīng)和長(zhǎng)度收縮效應(yīng)。多媒體課件【新課導(dǎo)入】狹義相對(duì)論中的兩個(gè)基本假設(shè)包含了不同于經(jīng)典力學(xué)的新時(shí)空觀，這種新時(shí)空觀變革了傳統(tǒng)的空間、時(shí)間、質(zhì)量、能量等基本概念，揭示了時(shí)空統(tǒng)一性和物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一性，因此會(huì)得出不同于“日?！钡钠娈惤Y(jié)論。【新課內(nèi)容】一.時(shí)間延緩效應(yīng)經(jīng)典時(shí)空觀認(rèn)為，時(shí)間是肯定時(shí)間，就像一條長(zhǎng)河，源源不斷地從過(guò)去到現(xiàn)在直至將來(lái)，與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。而相對(duì)論時(shí)空觀則認(rèn)為，當(dāng)時(shí)鐘相對(duì)于觀測(cè)者靜止時(shí)，時(shí)鐘走得快些；當(dāng)時(shí)鐘相對(duì)于觀測(cè)者高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者則認(rèn)為時(shí)鐘變慢了。分析：在此過(guò)程中車上的鐘走過(guò)的時(shí)間為Δt1，稱固有時(shí).靜止在地面上的視察者看來(lái)，由于列車在高速行駛測(cè)得該過(guò)程經(jīng)驗(yàn)的時(shí)間為Δt設(shè)車廂高度為h，列車行駛速度為v,則Δt＝eq\f(Δt′,\r(1－\f(v2,c2)))。愛因斯坦曾預(yù)言，兩個(gè)校準(zhǔn)好的鐘，當(dāng)一個(gè)沿閉合路途運(yùn)動(dòng)返回原地時(shí)，它記錄的時(shí)間比原地不動(dòng)的鐘會(huì)慢一些。這已被高精度的銫原子鐘超音速環(huán)球飛行試驗(yàn)證明。在相對(duì)論時(shí)空觀中，運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘時(shí)間與靜止時(shí)鐘時(shí)間的關(guān)系：Δt＝eq\f(Δt′,\r(1－\f(v2,c2)))。由于v＜c，所以Δt＞Δt′，即運(yùn)動(dòng)的鐘比靜止的鐘走得慢。這種效應(yīng)被稱為時(shí)間延緩。例1.a、b、c為三個(gè)完全相同的時(shí)鐘，a放在水平地面上，b、c分別放在以速度vb、vc向同一方向飛行的兩枚火箭上，且vb<vc，地面上的視察者認(rèn)為哪個(gè)時(shí)鐘走得最慢？哪個(gè)走得最快？解析依據(jù)公式Δt＝eq\f(Δt′,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))\s\up12(2)))可知，相對(duì)于視察者的速度v越大，其上的時(shí)間進(jìn)程越慢，由vc>vb>va＝0，C時(shí)鐘走最慢，A走最快。例2.有一對(duì)孿生兄弟，在20歲時(shí)，哥哥從地球動(dòng)身乘飛船運(yùn)行10年后，哥倆的年齡各是多少？（已知飛船速度）=0.447年，哥哥20.5歲和弟弟30歲.由動(dòng)鐘變慢產(chǎn)生了“孿生子佯謬”。這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵是周游天外的哥要回到動(dòng)身點(diǎn)。倘如哥的飛船僅僅作勻速直線運(yùn)動(dòng)，是辦不到這一點(diǎn)的。哥的飛行路途必定是有來(lái)有去，或是轉(zhuǎn)一個(gè)圈子；在此在弟看來(lái)，哥是在作有速度改變的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)然，在哥看來(lái)，弟相對(duì)于他也在作變速運(yùn)動(dòng)。依據(jù)動(dòng)鐘變慢的理論，弟看飛船鐘變慢，哥看地球鐘變慢這種對(duì)稱性，只有當(dāng)?shù)芎透缰g的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)才能保持。一旦出現(xiàn)了變速的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就不能運(yùn)用這個(gè)對(duì)稱性了。即這種狀況超出狹義相對(duì)論的理論范圍,依據(jù)廣義相對(duì)論來(lái)探討,這種現(xiàn)象是能夠發(fā)生的。1971年美國(guó)科學(xué)家將精確度極高的銫原子鐘放在飛機(jī)上,沿赤道向東和向西繞地球一周,回到原處后,分別比靜止在地面上的鐘慢59納秒和快273納秒(1納秒等于10-9秒)。因?yàn)榈厍蛞钥隙ǖ慕撬俣葟奈魍鶘|轉(zhuǎn),地面不是慣性系,而從地心指向太陽(yáng)的參考系是慣性系。飛機(jī)的速度總是小于太陽(yáng)的速度,無(wú)論向東還是向西,它相對(duì)于慣性系都是向東轉(zhuǎn)的,只是前者轉(zhuǎn)速大,后者轉(zhuǎn)速小,而地面上的鐘轉(zhuǎn)速介于二者之間。上述試驗(yàn)表明,相對(duì)于慣性系轉(zhuǎn)速愈大的鐘走得愈慢,這和孿生子問(wèn)題所預(yù)期的效應(yīng)是一樣的。上述試驗(yàn)結(jié)果與廣義相對(duì)論的理論計(jì)算比較,在試驗(yàn)誤差范圍內(nèi)相符。因而,我們今日不應(yīng)再說(shuō)“孿生子佯謬”而應(yīng)改稱孿生子效應(yīng)了。例3.(多選)一列很長(zhǎng)的火車在沿平直車道飛速地勻速行駛，車廂中心有一個(gè)光源發(fā)出了一個(gè)閃光，閃光照到車廂的前壁和后壁。對(duì)這兩個(gè)事務(wù)說(shuō)法正確的是(AD) A.車上的視察者認(rèn)為兩個(gè)事務(wù)是同時(shí)的 B.車上的視察者認(rèn)為光先到達(dá)后壁 C.地面上的視察者認(rèn)為兩個(gè)事務(wù)是同時(shí)的 D.地面上的視察者認(rèn)為光到達(dá)前壁的時(shí)刻晚些二.長(zhǎng)度收縮效應(yīng):長(zhǎng)度的測(cè)量方法：同時(shí)測(cè)出桿的兩端M、N的位置坐標(biāo)，坐標(biāo)之差就是測(cè)出的桿長(zhǎng).假如與桿相對(duì)靜止的人認(rèn)為桿長(zhǎng)為l0.與桿相對(duì)運(yùn)動(dòng)的人認(rèn)為桿長(zhǎng)為l.則l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))\s\up12(2)).一根相對(duì)于觀測(cè)者沿自身長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)的桿，其被測(cè)長(zhǎng)度總比桿相對(duì)觀測(cè)者靜止時(shí)的被測(cè)長(zhǎng)度小，而在與運(yùn)動(dòng)方向垂直的方向上，沒(méi)有這種效應(yīng).依據(jù)狹義相對(duì)論時(shí)空觀，空間也與運(yùn)動(dòng)親密相關(guān)，即對(duì)某物體空間廣延性的觀測(cè)，與觀測(cè)者和該物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。觀測(cè)長(zhǎng)度l′與靜止長(zhǎng)度l之間的關(guān)系：l′＝leq\r(1－\f(v2,c2))，由于v<c，所以l′<l。這種長(zhǎng)度觀測(cè)效應(yīng)被稱為長(zhǎng)度收縮。例4.在一個(gè)飛船上測(cè)得船的長(zhǎng)度為100m，高度為10m，當(dāng)飛船以0.60c的速度從你身邊經(jīng)過(guò)時(shí)，按你的測(cè)量，飛船的高度和長(zhǎng)度各為多少？解析因?yàn)殚L(zhǎng)度收縮只發(fā)生在運(yùn)動(dòng)的方向上，在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上的長(zhǎng)度不發(fā)生這種效應(yīng)，故飛船的高度仍為10m，若測(cè)得飛船的長(zhǎng)度為l，由長(zhǎng)度收縮效應(yīng)知l＝l0eq\r(1－\f(v2,c2))＝100×eq\r(1－\f(（0.60c）2,c2))m＝80m。答案10m80m三.質(zhì)能關(guān)系(1)經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn)經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為物體的質(zhì)量是物體的固有屬性，由物體所含物質(zhì)的多少確定，與物體所處的時(shí)空和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。由牛頓其次定律F＝ma可知，只要物體的受力足夠大、作用時(shí)間足夠長(zhǎng)，物體將能加速到光速或超過(guò)光速。(2)相對(duì)論的觀點(diǎn)由狹義相對(duì)論和其他物理原理，可推知物體的質(zhì)量是改變的。當(dāng)物體在所處的慣性參考系靜止時(shí)，它具有最小的質(zhì)量m0，這個(gè)最小質(zhì)量叫靜止質(zhì)量。當(dāng)物體以速度v相對(duì)某慣性參考系運(yùn)動(dòng)時(shí)，在這個(gè)慣性參考系觀測(cè)到的質(zhì)量為m＝eq\f(m0,\r(1－\f(v2,c2)))。2.質(zhì)能關(guān)系(1)經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn)在經(jīng)典物理學(xué)中，質(zhì)量和能量是兩個(gè)獨(dú)立的概念。(2)相對(duì)論的觀點(diǎn)由相對(duì)論及基本力學(xué)定律可推出質(zhì)量和能量的關(guān)系為E＝mc2或ΔE＝Δmc2。依據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系，人們利用重核裂變反應(yīng)前、后質(zhì)量虧損釋放大量能量發(fā)電及制造原子彈。例5.假如真空中的光速為c＝3×108m/s，當(dāng)一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)速度為v1＝2.4×108m/s時(shí)，質(zhì)量為3kg，當(dāng)它的速度為v2＝1.8×108m/s時(shí)，質(zhì)量為多少？思路探究(1)在高速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題中，物體的質(zhì)量還是恒定不變的嗎？(2)相對(duì)論中，物體的質(zhì)量與速度的關(guān)系式：m＝______。答案(1)不是，物體的質(zhì)量隨速度的增大而變大。(2)eq\f(m0,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))\s\up12(2)))解析依據(jù)m＝eq\f(m0,\r(1－\f(v2,c2)))得eq\f(m1,m2)＝eq\f(\r(1－\f(veq\o\al(2,2),c2)),\r(1－\f(veq\o\al(2,1),c2)))，代入數(shù)據(jù)得m2＝2.25kg。答案2.25kg四.奇異的時(shí)空彎曲愛因斯坦的廣義相對(duì)論認(rèn)為，由于物質(zhì)的存在，空間和時(shí)間會(huì)發(fā)生彎曲。天體之間的引力作用是時(shí)空彎曲的結(jié)果。萬(wàn)有引力是廣義相對(duì)論的時(shí)空彎曲理論在