2021学年5 相对论时空观与牛顿力学的局限性教学设计

科目

物理

课题

相对论时空观与牛顿力学的局限性

课时

1课时

教学目标与

核心素养

一．知识与技能

1. 理解狭义相对论的两个基本假设；知道时间延缓效应和长度缩短效应；

2. 认识经典力学的局限性和适用范围；

二．过程与方法

1. 了解时间延缓效应和长度收缩效应；

2. 经典力学与相对论力学、量子力学的理解。

三、情感态度与价值观

1.了解相对论时空观，感受人类对客观世界不断探究的精神和情感；

2.培养学生理解牛顿力学的局限性，培养学生的探索精神，明白科学理论不会穷尽一切真理。

教学重、

难点

教学重点：1. 狭义相对论的两个基本假设；

2. 了解时间延缓效应和长度收缩效应。

教学难点：经典力学与相对论力学、量子力学的理解。

教学准备

课件演示

教

学

过

程

教师活动

学生活动

设计意图

一、导入新课：

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多少？

【教师引导】生活经验让我们体会到，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。也就是说，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。

讲授新课：

（1）相对论时空观

【教师引导】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。人们自然要问:这个速度是相对哪个参考系而言的？一些物理学家对这个问题进行了研究。在实验研究中，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！这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符。

【教师补充】爱因斯坦假设:在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。

【教师提问】列车K的某车厢的中央发出了一个闪光，车厢中的人认为闪光同时到达了前后两壁(事件A和B )。不同的是，列车K静止在车站里，另一列车L从旁边呼啸而过。那么，在运动的列车L里，观察者认为，沿着运动方向位置靠前一些的事件A先发生，还是靠后一些的事件B先发生?

【教师补充引导】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。车上的观察者以车厢为参考系，因为车厢是个惯性系，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(图甲)。

对于车下的观察者来说，他以地面为参考系，因闪光向前、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。他观测到的结果应该是:闪光先到达后壁，后到达前壁(图乙)。因此，这两个事件不是同时发生的。

【学生小组交流】事件A先发生

【教师补充引导】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下述结果。

1、时间延缓效应

如果相对于地面以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△τ，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△t,那么两者之间的关系是:

由于，所以总有，此种情况称为时间延迟效应。

2、长度收缩效应

如果与杆相对静止的人测得杆长是，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，所以总有，此种情况称为长度收缩效应。

【教师总结】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。

【思考与讨论】已知μ子低速运动时的平均寿命是3.0。当;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？

【解答】若选择以μ子为参考系，μ子做低速运动，平均寿命为3.0。对于地面观察者来说，μ子高速飞行，平均寿命。

【教师总结】高速运动的μ子寿命变长这一现象，用经典理论无法解释，用相对论时空观可得到很好的解释。这一研究结果成了相对论时空观的最早证据。

（2）牛顿力学的成就与局限性

【教师引导】牛顿力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律的建立是确立了人们对牛顿力学的尊敬。

经典力学的巨大成就：

（1）从地面上物体的运动到天体的运动。                                                                                                                                                                                   

（2）从大气的流动到地壳的变动。

（3）从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械。

（4）从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动。

（5）从投出篮球到发射导弹、人造卫星、宇宙飞船……

【学生思考】牛顿运动定律的适用范围

【教师补充引导】宏观：能用通常方法测量与观察的物体。

低速：远小于光速的速度

弱引力:物体的半径远小于引力半径时物体之间存在的作用力。

【教师提问】何为高速？何为低速？

【学生思考】

低速:远小于光速的速度为低速，通常所见的物体的运动，如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体的运动皆为低速运动。

高速:有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近，这样的速度称为高速。

【教师总结】除了高速运动，牛顿力学在其他方面是否也有局限性?19世纪末和20世纪初，物理学研究深入到微观世界，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，它们的运动规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明。20世纪20年代，量子力学建立了，它能够很好地描述微观粒子运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用。

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。

【课堂小结】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。当物体的运动速度远小于光速c时（c=3×m/s），相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别；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×J·s），量子力学和牛顿力学的结论没有区别。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。

课堂练习：

1、物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识,推动了科学技术的创新和革命,促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步。下列表述正确的是(   )

A.牛顿发现了万有引力定律

B.牛顿通过实验证实了万有引力定律

C.相对论的创立表明经典力学已不再适用

D.爱因斯坦建立了狭义相对论,把物理学推广到高速领域

答案：AD

2、关于经典力学,下列说法正确的是(   )

A.经典力学完全适用于宏观、低速运动

B.经典力学取得了巨大成就,是普遍适用的

C.随着物理学的发展,经典力学将逐渐成为过时的理论

D.由于相对论、量子力学的提出,经典力学已经失去了它的应用价值

答案：A

3、下列说法中正确的是(   )

A.在经典力学中,物体的质量不随运动状态而改变,在狭义相对论中,物体的质量也不随运动状态而改变
B.在经典力学中,物体的质量随运动速度的增加而减小,在狭义相对论中,物体的质量随物体速度的增大而增大
C.在经典力学中,物体的质量是不变的,在狭义相对论中,物体的质量随物体的速度的增大而增大
D.上述说法都是错误的

答案：C

4、下列适合用牛顿运动定律研究的是(   )

A.研究高速运动的电子
B.研究月球绕地球的运转情况
C.研究运动员百米跑的情况
D.研究火车从广州开往深圳的运动

答案：BCD

5、A、B两架飞机沿地面上一足球场的长轴方向在其上空高速飞过,且,两架飞机速度均接近光速,关于在飞机上的人观察结果,下列说法正确的是(   )

A. A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的大
B. A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的小
C.两飞机上的人观察到足球场的长度相同
D.两飞机上的人观察到足球场的宽度相同

答案：BD

6、在地面附近有一高速飞过的火箭.关于地面上的人和火箭中的人观察到的现象中正确的是(  )

A.地面上的人观察到火箭变短了,火箭上的时间进程变快了
B.地面上的人观察到火箭变短了,火箭上的时间进程变慢了
C.火箭上的人观察到火箭的长度和时间进程均无变化
D.火箭上的人看到地面物体长度变小,时间进程变慢了

答案：BCD

【课后作业】阅读科学漫步，完成相关课后题

学生观察图片思考讨论

学生经过老师引导，体会光的传播速度与传播速度的关系

引导学生思考事件发生先后，并且用物理知识解答说明

通过思考与讨论，正确的理解时间延迟效应

理解长度收缩效应

了解牛顿力学的成就，理解牛顿力学的局限性

了解牛顿运动定律的适用范围

学生练习

学生练习

通过科技中的知识，激发学生的学习兴趣，引出本节课题

通过联系之前已知的知识，思考相对论时空观

锻炼学生的计算推导的能力

理解时间延迟效应，记住时间延迟效应公式

引导学生自主总结时间延迟效应和长度收缩效应

锻炼学生的理解和解决实际的能力，了解牛顿力学的成就与局限性

巩固本节知识

巩固本节知识

板书设计

§7.5  相对论时空观与牛顿力学的局限性

一、宇宙速度

1、时间延缓效应

2、长度收缩效应

二、牛顿力学的成就与局限性

牛顿运动定律的适用范围

教学后记

引导学生对本节多学知识进行自主交流探究，根据学生表述，查漏补缺，并有针对性地进行讲解补充。