必修 第二册5 相对论时空观与牛顿力学的局限性教学设计

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经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更是树立了人们对牛顿物理学的尊敬。

通过前面的学习，我们知道从天体的运动到地面上的各种物体的运动，从大气的流动到地壳的变动，所有这些都服从经典力学规律。那么，是不是任何情境下都遵从经典力学的规律呢？

学生回顾已学知识并思考

通过问题引发学生的思考从而引起学生学习的兴趣

讲授新课

一、牛顿力学时空观

1、牛顿力学时空观

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。

在牛顿力学时空观里，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。所以不管选什么参考系，不管物体怎么运动，物体的时间、长度、质量等等的测量结果肯定是一样的。

思考1：若河中的水以相对于岸的速度v水岸流动，河中的船以相对于水的速度v船水顺流而下，则船相对于岸的速度v船岸如何表示？

v船岸＝v船水＋v水岸

思考2：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否为1.2c？

出示图片：飞船向正前方的某一星球发射一束激光

问题的答案似乎应为1.2c，然而，事实并非如此！因为经典力学不再适用。经典力学只适用于解决低速运动问题，不能用来处理高速运动问题，要解决这一问题就需要用到相对论时空观。

二、相对论时空观

思考：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这个速度是相对哪个参考系而言的？

出示图片：麦克斯韦英国物理学家、数学家

出示图片：迈克尔逊：波兰裔美国藉物理学家。

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所以证明电磁波的传播速度等于光速c，无论对于哪个参考系而言都是一样的。

1、爱因斯坦的两个假设

（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；表明在任何惯性系中研究某个物体的某一运动过程，其运动规律形式不变。

（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。表明了经典时空观与相对论时空观的不同。

2．相对论时空观的内容

认为时间和空间是相互联系、相互影响的，并且与物质的存在及运动有关。

思考讨论：在经典物理学中，如果两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中一定也是同时的。但是，如果按照爱因斯坦的两个假设，结论还是这样吗？

根据爱因斯坦假设：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的，两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中不一定也是同时的。

例如：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。

（1）车上的观察者以车厢为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗？

（1）车下的观察者来说，以地面为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗？

甲

参考答案：

（1）如图甲所示：因为车厢是个惯性系，闪光向前、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。

根据爱因斯坦的假设：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的，所以他以地面为参考系，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即：闪光先到达后壁，后到达前壁因此，这两个事件不是同时发生的。

3、时间延缓效应

如果相当于地面以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在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt，则

由于1－<1，所以总有Δt>Δτ，此种情况称为时间延缓效应。

4、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，那么两者之间的关系是

由于1－<1，所以总有l<l0，此种情况称为长度收缩效应。

（1）式和（2）式表明：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。

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。

爱尔兰物理学家佛兹杰拉德提出，物质会在运动的方向上收缩（缩小），这意味着根据一个静止观察者的观点，一枚以接近光线运行的火箭所表现出的长度会比它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。

爱因斯坦指出，任何物体以光速运动时，其长度将会缩短为零。

思考与讨论：已知µ子低速运动时的平均寿命是3.0µs。当µ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？

相对于光速而言，低速运动即可近似认为速度为0，即若选择与µ子一起运动的某一物体为参考系，此时µ子的平均寿命是3.0µs。

对于地面上的观测者来说

狭义相对论认为时间不是绝对的（即固定不变的），爱因斯坦指出，随着物体（观察者所见到的）运动速度的加快，时间会变慢。

思考：相对论时空观的第一次宏观验证是在1971年进行的。当时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做环球飞行，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。它们的时间有什么不同？

根据狭义相对论，随着物体（观察者所见到的）运动速度的加快，时间会变慢。

向东飞行时铯原子钟的度数比地球上的铯原子钟慢了这是因为向东飞行速度比地面上的大；

而向西飞行的铯原子钟比地球上的快了，这是因为向西飞飞机的速度和地球自转相抵消，它们的速度比地面上的小；

知识拓展

1、狭义相对论

按照狭义相对论而言，物体运动时质量会随着物体运动速度增大而增加(质速关系)，同时，空间和时间也会随着物体运动速度的变化而变化，即会发生尺缩效应和钟慢效应。

质速关系：

m0是物体静止时的质量，m是物体速度为v时的质量，c是真空中的光速。

2、从弱引力到强引力

按牛顿的万有引力定律推算，行星应该沿着一些椭圆做周期性运动，而天文观测表明，行星的轨道并不是严格闭合的，它们的近日点在不断地旋进，如水星的运动，由经典力学与行星轨道的矛盾说明了什么？

参考答案：经典力学只适用于弱引力场，而不适用于强引力场。

三、牛顿力学的成就与局限性

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。它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交响曲”。

1、牛顿力学的成就

（1）经典力学的基础是牛顿运动定律，牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔区域，包括天体力学的研究中，经受了实践的检验，取得了巨大的成就。

（2）。牛顿运动三定律和万有引力定律把天体的运动与地面上物体的运动统一起来，是人类对自然界认识的第一次大综合，是人类认识史上的一次重大飞跃。

牛顿力学在如此广阔的领域里与实际相符合，显示了牛顿运动定律的正确性和牛顿力学的魅力

2、局限性

（1）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。所以经典力学只适用于物体的低速运动。

（2）在微观世界中，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，量子力学能很好地描述微观粒子的运动规律。经典力学不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象

（3）经典力学规律只在惯性参考系中成立

经典力学规律只能用于宏观、低速（与光速相比）的情形，且只在惯性参考系中成立。

说明

（1）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。

（2）当物体的运动速度远小于光速c时（c＝3×108m/s），相对论物理学与经典物理学的结论没有区别；

（3）当另一个重要常数即普朗克常量h可以忽略不计时

（h＝6.63×10-34J·s），量子力学和牛顿力学的结论没有区别。

（4）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。

科学漫步1．宇宙的起源与演化

我们的宇宙是在约138亿年以前从一个尺度极小的状态发展演化来的。在这个过程中，宇宙的温度从高到低，先是生成一些基本粒子形态的物质，接着产生了原子、分子等各种物质，物质再进一步聚集起来形成星系，成为我们今天看到的宇宙。

出示图片：普朗克探测器记录下的微波天空

2．恒星的演化

阅读课文说一说恒星是如何诞生的？

根据大爆炸宇宙学，大爆炸10万年后，温度下降到了3000K左右，出现了由中性原子构成的宇宙尘埃。由于万有引力的作用，形成了更密集的尘埃。尘埃像滚雪球一样越滚越大，形成了气体状态的星云团。星云团的凝聚使得温度升高，到一定程度星云团就开始发光，于是，恒星诞生了。

课堂练习

1．经典力学只适用于“宏观世界”，这里的“宏观世界”是指(    )

A．行星、恒星、星系等巨大的物质领域

B．地球表面上的物质世界

C．人眼能看到的物质世界

D．不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界

答案：D

2．下列说法正确的是(    )

A．经典力学能够说明微观粒子的规律性；

B．经典力学适用于宏观物体的低速运动问题，不适用于高速运动的物体；

C．相对论与量子力学的出现，说明经典力学已失去意义；

D．对于宏观物体的高速运动问题，经典力学仍适用。

答案：B

3、牛顿定律不适用于下列哪些情况(    )

A．研究原子中电子的运动

B．研究“嫦娥三号”的高速发射

C．研究地球绕太阳的运动

D．研究飞机从北京飞往纽约的航线

答案：A

拓展提高

1、关于经典力学、狭义相对论和量子力学，下列说法中正确的是(    )

A．狭义相对论和经典力学是相互对立的、互不相容的两种理论；

B．在物体高速运动时，物体的运动规律遵循狭义相对论，在低速运动时，物体的运动遵循牛顿运动定律；

C．经典力学适用于宏观物体的运动，量子力学适用于微观粒子的运动；

D．不论是宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的。

答案：BC

2、通过一个加速装置对电子加一很大的恒力，使电子从静止开始加速，则对这个加速过程，下列描述正确的是(    )

A．根据牛顿第二定律，电子将不断做匀加速直线运动

B．电子先做加速运动，后以光速做匀速直线运动

C．电子开始先近似于匀加速运动，后来质量增大，牛顿运动定律不再适用

D．电子是微观粒子，整个加速过程根本就不能用牛顿运动定律解释

答案：C

3、下面说法中正确的是(    )

A．当物体运动速度远小于光速时，相对论物理学和经典物理学的结论没有区别；

B．当物体运动速度接近光速时，相对论物理学和经典物理学的结论没有区别；

C．当普朗克常量h(6.63×10－34J•s)可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别；

D．当普朗克常量h(6.63×10－34J•s)不能忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别。

答案：AC

阅读课文了解

牛顿力学时空观

学生思考回答

学生思考讨论

学生阅读课文思考

学生注意听讲理解

学生阅读课文思考讨论

学生讨论回答

学生倾听记忆公式

阅读课文掌握

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，那么两者之间的关系是……

学生思考讨论计算

学生思考讨论回答

学生跟着老师的思路学习拓展练习

阅读课文总结牛顿力学的成就以及它的局限性

阅读理解说明

学读课文回答问题

学生练习

让学生通过自主阅读获取信息，培养学生阅读理解能力，同时培养学生良好的自学习惯。

锻炼学生的逻辑思维能力

了解经典力学只适用于解决低速运动问题，不能用来处理高速运动问题

了解不同的参考系中，光的传播速度都是一样的

掌握爱因斯坦的两个假设：相对性原理和光速不变原理

通过课文上的举例理解两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中不一定也是同时的，

通过讨论帮助学生进一步理解爱因斯坦的假设，了解时间具有延缓效应

掌握时间具有延缓效应

掌握长度收缩效应锻炼学生的自主学习能力

锻炼学生计算以及合作交流能力

理解时间的延迟性与速度有关

拓展学生的知识面

锻炼学生的总结以及语言表达能力和理解能力

掌握牛顿力学和相对论以及量子论的关系

拓展学生的知识面

巩固本节知识

课堂小结

1、爱因斯坦的两个假设

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；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。

2、时间延缓效应

3、长度收缩效应

4、经典力学只适用于解决低速运动问题，不能用来处理高速运动问题，经典力学只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子：经典力学只适用于解决弱引力问题，不能用来处理强引力问题。

梳理自己本节所学知识进行交流

根据学生表述，查漏补缺，并有针对性地进行讲解补充。

板书

一、牛顿力学时空观

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。

二、相对论时空观

1、爱因斯坦的两个假设

（1）相对性原理（2）光速不变原理

2．相对论时空观的内容

认为时间和空间是相互联系相互影响的，并且与物质的存在及运动有关。

3、时间延缓效应

4、长度收缩效应

三、牛顿力学的成就与局限性

经典力学规律只能用于宏观、低速（与光速相比）的情形，且只在惯性参考系中成立。