高中物理人教版 (2019)必修 第二册第七章 万有引力与宇宙航行5 相对论时空观与牛顿力学的局限性教案设计

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第二册第七章 万有引力与宇宙航行5 相对论时空观与牛顿力学的局限性教案设计，共9页。教案主要包含了学习任务，新知探究，课堂小结，学习效果等内容，欢迎下载使用。

第7章 万有引力与宇宙航行
第5节 相对论时空观与牛顿力学的局限性
目录
一、学习任务
二、新知探究
（一）梳理要点
（二）启发思考
（三）深化提升
三、课堂小结
四、学习效果
第7章 万有引力与宇宙航行
第5节 相对论时空观与牛顿力学的局限性
一、学习任务
1．知道爱因斯坦两个假设的基本内容，初步了解相对论时空观。
2．知道光速不变原理，会用长度收缩效应和时间延缓效应分析问题。
3．认识牛顿力学的局限性，体会人类对自然界的探索是不断深入的。
二、新知探究
知识点一：相对论时空观
（一）梳理要点
1．爱因斯坦的两个假设
(1)在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。
(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。
2．时间和空间的相对性
(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Δτ，地面上的人观察到该物体完成这个动作的时间间隔为Δt，那么两者之间的关系是Δt＝Δτ1−vc2。
由于物体的速度不可能达到光速，所以1－vc2＜1，总有Δt>Δτ，此种情况称为时间延缓效应。
(2)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，以速度v相对杆运动的人测得杆长是l，那么两者之间的关系是l＝l01−vc2。
由于1－vc2<1，所以总有l3．相对论时空观
Δt＝Δτ1−vc2和l＝l01−vc2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。它所反映的时空观称作相对论时空观。
（二）启发思考
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，静止在地球上的人测得地月之间的距离为l0。
(1)坐在从地球高速飞往月球的飞船里的航天员测得地月之间的距离仍为l0吗？
(2)实际上物体长度和时间的长度真的变化了吗？
(3)我们平时为何观察不到长度收缩效应呢？
提示：(1)不是，航天员测得的地月之间的距离小于l0。
(2)没有，这只是一种观测效果。
(3)根据长度收缩效应表达式l＝l01−vc2，因为我们生活在低速世界中，v≪c，l近似等于l0，故此现象不明显。
（三）深化提升
1．狭义相对论的两个假设
(1)相对性原理
物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。
(2)光速不变原理
在一切惯性参考系中，测得的真空中的光速c都相同。
2．相对论时空观得到的两个效应
(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Δτ，那么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，有Δt＝Δτ1−vc2，c为真空中的光速，总有Δt>Δτ。
理解：①对同一物理过程经历的时间，在不同的惯性参考系中观测，测得的结果不同，时间延缓效应是一种观测效应，不是被测过程的节奏变化了。②惯性参考系速度越大，地面上的人观测到的时间越长。③由于运动是相对的，故在某一参考系中观测另一参考系中发生的物理事件，总会感到时间延缓效应，即惯性参考系中的人观测地面上发生的事件的时间也延缓。
(2)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，有l＝l01−vc2，总有l＜l0。
理解：①长度收缩效应也是一种观测效应，不是物体本身发生了收缩。②在垂直于运动方向上，物体不会发生收缩效应。③由于运动是相对的，故在某一参考系中观测另一参考系中沿杆方向的长度，总有长度收缩效应，即在静止惯性参考系中的人观测运动的杆，沿杆运动方向的长度发生收缩。
3. 理解相对论效应的两点注意
(1)时间延缓效应是一种观测效应，不是时钟走快了或走慢了，也不是被观测过程的节奏变化了。
(2)长度收缩效应也是一种观测效应，不是物体本身发生了收缩。另外，在垂直于运动方向上不会发生收缩效应。
知识点二：牛顿力学的成就与局限性
（一）梳理要点
1．牛顿力学的成就：从地面上物体的运动到天体的运动，都服从牛顿力学的规律。
2．牛顿力学的局限性
(1)微观世界：电子、质子、中子等微观粒子，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。
(2)牛顿力学只适用于低速运动，不适用于高速运动。
（二）启发思考
如图所示是粒子对撞机，它是人类研究物质基本微观结构的重要工具，通过持续输入能量，让亚原子粒子在管道中以极限接近光速的速度高速运动。
(1)牛顿力学是否适用于质子的运动规律？
(2)如何研究质子的运动规律？
(3)相对论、量子力学否定了牛顿力学吗？
提示：(1)不适用，牛顿力学只适用于宏观低速运动。
(2)描述微观高速粒子的运动要用到量子力学。
(3)相对论、量子力学没有否定牛顿力学，牛顿力学是相对论、量子力学在一定条件下的特例。
（三）深化提升
1．牛顿力学与相对论、量子力学的区别
(1)牛顿力学适用于低速运动的物体；相对论是爱因斯坦阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律。
(2)牛顿力学适用于宏观世界；量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律。
2．牛顿力学与相对论、量子力学的联系
(1)当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别。
(2)当另一个重要常数即普朗克常量h可以忽略不计时，量子力学和牛顿力学的结论没有区别。
(3)相对论和量子力学并没有否定牛顿力学，牛顿力学是二者在一定条件下的特殊情形。
三、课堂小结
回归本节知识，自我完成以下问题：
爱因斯坦两个假设的内容是什么？
提示：(1)在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。
(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。
2．狭义相对论的两个效应是什么？
提示：(1)时间延缓效应：运动时钟会变慢，即Δt＝Δτ1−v2c2。
(2)长度收缩效应：运动长度l会收缩，即l＝l01−v2c2。
四、学习效果
1. 一支静止时30 m的火箭以3 km/s的速度从观察者的身边飞过。
(1)观察者测得火箭的长度应为多少？
(2)火箭上的人测得火箭的长度应为多少？
(3)如果火箭的速度为光速的二分之一，观察者测得火箭的长度应为多少？
(4)火箭内完好的手表走过了1 min，地面上的人认为经过了多少时间？
[解析] 火箭上的人相对火箭永远是静止的，无论火箭速度是多少，火箭上的人测得火箭长与静止时测得的火箭的长均是l0＝30 m，而火箭外面的观察者看火箭时，有相对速度v，则它的测量值要缩短，即l＜l0，由l＝l01−v2c2，当v＝3×103 m/s时，l＝30×1−10−10 m≈30 m，当v＝c2时，l′≈26 m。火箭上时间Δτ＝1 min，火箭的速度v＝3 km/s，所以地面上观测到的时间
Δt＝Δτ1−v2c2＝11−3×1033×1082 min≈1 min。
[答案] (1)约30 m (2)30 m (3)约26 m (4)约1 min
2．在一个飞船上测得船的长度为100 m，高度为10 m，当飞船以0.60c的速度从你身边经过时，按你的测量，飞船的高度和长度各为多少？
[解析] 因为长度收缩只发生在运动的方向上，在垂直于运动方向上的长度不发生这种效应，故飞船的高度仍为10 m，若测得飞船的长度为l，由长度收缩效应知l＝l01−v2c2＝100×1−0.60c2c2 m＝80 m。
[答案] 10 m 80 m
3．甲、乙两人站在地面上时身高都是L0，甲、乙分别乘坐速度为0.6c和0.8c(c为光速)的飞船同向运动，如图所示。此时乙观察到甲的身高L________L0；若甲向乙挥手，动作时间为t0，乙观察到甲动作时间为t1，则t1________t0。(均选填“＞”“＝”或“＜”)
[解析] 因为人站立时是垂直于飞船速度方向的，没有长度收缩效应，身高L＝L0；乙比甲运动得快，故根据相对论的时间延缓效应可知t1>t0。
[答案] ＝ >
4．半人马星座α星是离太阳系最近的恒星，它距地球为4.3×1016 m。设有一宇宙飞船自地球往返于半人马星座α星之间。
(1)若宇宙飞船的速率为0.999c，按地球上时钟计算，飞船往返一次需要时间为________s。
(2)如以飞船上时钟计算，往返一次的时间为______s。
[解析] (1)由于题中恒星与地球的距离s和宇宙飞船的速度v均是地球上的观察者测量的，故飞船往返一次，地球时钟所测时间间隔Δt＝2sv≈2.87×108 s。
(2)可从相对论的时间延缓效应考虑，把飞船离开地球和回到地球视为两个事件，显然飞船上的钟测出两事件的时间间隔Δt′是固定的，地球上所测的时间间隔Δt与Δt′之间满足时间延缓效应的关系式。以飞船上的时钟计算，飞船往返一次的时间间隔为Δt′＝Δt1−v2c2≈1.28×107 s。
[答案] (1)2.87×108 (2)1.28×107
5．在某惯性系中测得相对该惯性系静止的立方体的边长为L0，另一惯性系以相对速度v平行于立方体的一边运动。则在后一惯性系中的观察者测得的该立方体体积是多少？
[解析] 由狭义相对论知，在运动方向上，观察者测得的立方体边长L＝L01−v2c2，而在垂直于运动方向上，测得的立方体边长不变，所以观察者测得的立方体的体积V＝L02L＝L031−v2c2。
[答案] L031−v2c2