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学设计

这是一份人教版 (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学设计，共6页。教案主要包含了教学目标，新课引入，新知探究，课堂小结，随堂演练等内容，欢迎下载使用。

1.了解相对论时空观，知道时间延缓效应和长度收缩效应.
2.认识牛顿力学的成就、适用范围及局限性.
3.了解科学理论的相对性，体会科学理论是不断发展和完善的
【新课引入】
思考：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？
设想：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，根据v光船=v光+v船该星球上的观察者测量到的激光的速度是否为1.2c，事实是这样吗？
1.2倍的光速与我们中学里学到的，真空中的光速是宇宙中最快的速度两者不相符。
1887年，美国科学家迈克尔逊和莫雷通过实验证明了，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，不同的参考系之间的速度变换关系（伽利略变换）不符！
【新知探究】
一、相对论时空观
描述一个物体的运动必须选择一个参考系，然后研究这一物体相对于参考系是如何运动的。
两个小球一起做自由落体运动，均受到重力的作用，如果以红球为参考系，则绿球是静止的。而绿球受到的合外力不为零。所以绿球相对于红球这个参考系而言，并不符合牛顿运动定律。
惯性参考系——牛顿运动定律成立的参考系
非惯性参考系——牛顿运动定律不成立的参考系
所有相对于惯性系做匀速直线运动的参考系都是惯性系，而对于惯性系做变速运动的参考系为非惯性系。
1.绝对时空观
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。
2.牛顿力学与电磁理论的冲突
十九世纪，英国科学家麦克斯韦，提出了电磁场理论，预言了电磁波的存在，并从理论上证明了，电磁波传播的速度等于光速。人们不禁要问：这个速度是相对哪个参考系而言的呢？但在迈克尔逊和莫雷实验事实的面前，许多物理学家，仍然立足在牛顿力学时空观的基础上，想通过一些理论上的修补工作，解释实验现象。但是都没有成功，这导致牛顿力学与电磁理论的冲突。
你觉得该如何解释这个现象呢？
以爱因斯坦和庞加莱为代表的另一批物理学家，坚决主张，彻底放弃某些与实验事实不相符的观念，如绝对时间的观念，在实验事实的基础上，大胆提出，能够更好地解释实验现象的假设。
3.相对论的两个基本假设
（1）相对性原理：
光速不变原理：
相对论时空观的内容：
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？
（2）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？
5。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
6。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，那么两者之间有何关系？
例题：有一种基本粒子叫μ子，当它低速运动时，它的平均寿命是3.0μs，当μ子以0.99c的速度飞行时，若选μ子为参考系，μ子的平均寿命是多少？若以地面为参考系，μ子的平均寿命是多少？
事实上，到达地面的μ子，大多产生于距地面8km的高空，科学家们根据经典理论，可以计算出每秒到达地面的μ子个数。但这个理论数值小于实际观察到μ子个数。这是为什么呢？
相对论时空的验证实验
将铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东和向西绕地球一周，回到原处后，分别比静止在地面上的钟慢59纳秒和快273纳秒。实验结果与理论预言符合的很好。这是相对论的第一次宏观验证。
将铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东和向西绕地球一周，回到原处后，分别比静止在地面上的钟慢59纳秒和快273纳秒。实验结果与理论预言符合的很好。这是相对论的第一次宏观验证。
牛顿力学的成就与局限性
1.牛顿力学的成就
(1)把天体运动与地面上物体的运动统一起来。
(2)经典力学和以经典力学为基础发展起来的天体力学、材料力学和结构力学等。
(3)力学和热力学的发展及其与生产的结合引发了第一次工业革命。
(4)由牛顿运动定律导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等是航空航天技术的理论基础。
2.牛顿力学的局限性
(1)经典力学是从日常机械运动中总结出来的，超出这个范围，经典力学常常就不适用了。
(2)绝对时空观：牛顿认为，时间、空间与物质及其运动完全无关，时间与空间也完全无关。
在微观世界中（尺度在10-10m以下），由于物质的存在和运动形式（波粒二象性），较宏观世界，有较大的不同,牛顿力学也不适用。
3.正确理解绝对时空观
(1)时间和空间是分离的，时间尺度和空间尺度与物质运动无关，都是绝对的。
②经典力学的时空观认为，时间就其本质而言是永远均匀地流逝，与任何其他外界事物无关，空间就其本质而言与外界任何事物无关，它从不运动，并且永远不变。
4.由绝对时空观得到的结论
①同时的绝对性
在一个惯性系中的观察者在某一时刻观测到两个事件，对另一个做匀速直线运动的惯性系中的观察者来说是同时发生的，即同时性与观察者的运动状态无关。
②时间间隔的绝对性
任何事件(或物体的运动)所经历的时间，在不同的参考系中测量都是相同的，而与参考系(或观察者)的运动无关。
③空间距离的绝对性
如果各个惯性系中用来测量长度的标准相同，那么空间两点的距离也就有绝对不变的量值，而与惯性系的选择(或观察者的运动状态)无关。
5.经典力学有它的适用范围
只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界；只适用于弱引力情况，不适用于强引力情况。
低速和高速的区别：
(1)低速：通常所见物体的运动，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皆为低速运动物体。
(2)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。
【课堂小结】
【随堂演练】
1、下列运动中不能用经典力学规律描述的是（ ）
A．子弹的飞行
B．粒子接近光速的运动
C．人造卫星绕地球运动
D．和谐号从南通向上海飞驰
2、一艘太空飞船静止时的长度为30m，他以0.6c（c为光速）的速度沿长度方向飞行经过地球，下列说法正确的是（ ）
A．飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30m
B．地球上的观测者测得该飞船的长度小于30m
C．飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于c
D．地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c
3、经典力学有一定的局限性。当物体以下列速度运动时，经典力学不再适用的是（ ）
答案见PPT课件