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精品教案设计

教学环节

师生活动

新课导入

(一)新课导入——创设情境,引发思考,导入新课

[问题导入]

教师:假如你驾驶一辆时速为100 km/h的越野车,一位乘客以相对你10 km/h的速度用弹弓射击前面的岩石,那么弹珠的实际速度就应该是多少?

学生:110 km/h.

教师:如果打开前车灯,按照常识,光速是1.079 145×109 km/h,加上车的运动速度,光的实际速度应该大于1.079 145×109 km/h,还是小于、等于1.079 145×109 km/h?

学生:大于.

教师:可在实际测量时,光速还是1.079 145×109 km/h,为什么同样的参考系光和实际物体得到的结果不同呢?今天我们学了本节内容后,你便知道其原因了

教师精讲

1.相对论时空观

教师:请同学们阅读教材,找一下什么是牛顿力学时空观?

学生: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,空间像一间广阔无边的房间,它们都不影响物体及其运动.也就是说,时间和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.

教师:阅读教材第65页“相对论时空观”中的第一二自然段,思考牛顿力学在对待以光速传播的电磁波时产生了什么矛盾?物理学家们是怎么面对的?

学生1:1887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.

学生2:在牛顿力学理论与电磁波理论的矛盾与冲突面前,一些科学家主张修补牛顿的理论,而爱因斯坦、庞加莱等人主张放弃某些与实验和观测不符的观念,提出能够更好地解释实验事实的假设.

教师:针对这些矛盾和冲突,爱因斯坦做出了什么样的两种假设?

学生1: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.

学生2: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亮光,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.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.因此,这两个事件不是同时发生的.

教师:在爱因斯坦两个假设的基础上,经过严格的数学推导,得到了什么结果?

学生1:时间测量(间隔)的相对性——时间延缓效应:若在一惯性系内同一地点,先后发生两事件时间间隔Δτ(称原时或固有时),在以相对速率v运动的另一惯性系内测得时间间隔为Δt,则有:Δt=.

学生2:空间测量的相对性——长度收缩效应:当杆沿两个惯性系相对运动方向放置,在相对杆静止的惯性系内测得杆的长度为l0(称原长或固有长度),在相对杆以v运动的惯性系里测得杆的长度为l,则有:l=l0

教师:什么是相对论时空观?

学生: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.

教师:人类对这种理论是怎么验证的?

学生1:对μ子的研究.

学生2:1971年两架喷气式飞机载着铯原子钟进行的环球飞行.

教师:实验结论如何?

学生:实验结果与相对论时空观的理论预言符合的很好.

[案例分析一]

阅读教材“牛顿力学的成就与局限性”部分,并说明牛顿力学是适用于宏观物体还是微观物体.

学生:19世纪末到20世纪初,人们相继发现了电子、质子、中子等微观粒子,发现它们不仅具有粒子性,而且具有波动性,它们的运动规律不能用牛顿力学描述.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.

牛顿力学一般不适用于微观粒子.

教师:相对论和量子力学的出现,是否表示牛顿力学失去了意义?

学生:相对论和量子力学的出现,说明人类对自然界的认识更加广泛和深入,而不表示牛顿力学失去了意义.它只是使人们认识到牛顿力学有它的适用范围:只适用于低速运动,不适用于高速(接近光速)运动,只适用于宏观世界,不适用于微观世界.

[归纳总结]

(1)牛顿力学时空观:时间和空间都是独立于物体及其运动而存在的绝对时空观.

(2)时间延缓效应:Δt=;长度收缩效应:l=l0.

(3)相对论时空观: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.

[巩固练习]

以下关于相对论的说法,正确的是(　D　)

A.观察者与光源相向运动时,观测到的光速大于3×108 m/s

B.在不同的惯性系中测量同一物体,尺寸都相同

C.对于同一个物理过程经历的时间,在任何惯性系中观测结果都相同

D.当物体相对某一惯性系高速运动时,其质量的观测值与速度大小有关

解析: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都是相同的,与光源和观察者的运动无关,故选项A错误;在不同的惯性系中测量同一物体的长度,测量值是不同的,故选项B错误;对于同一个物理过程经历的时间,在不同惯性系中观测结果是不相同的,选项C错误;当物体相对某一惯性系高速运动时,其质量的观测值与速度大小有关,选项D正确.

2.牛顿力学的成就与局限性

教师:请同学考虑一下,什么是牛顿力学的基础?

学生:牛顿运动定律.

教师:请同学们区别一下什么是低速运动?什么是高速运动?

学生:物体运动的速度远小于光速的运动,称为低速运动.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:什么运动适用于牛顿力学?

学生:牛顿力学中各种物体的运动,速度都远小于真空中的光速.处理这些运动,牛顿力学完全适用.

教师:请同学们列举一些具体的事例.

学生:通常所见的物体的运动皆为低速运动,如行驶的汽车,发射的导弹、人造卫星及宇宙飞船等.

教师:牛顿力学的局限性在哪儿?

学生:牛顿力学不适用于高速运动的物体,也不适用于微观世界.

教师:人类为解释物体高速运动建立了相对论,为描述微观粒子运动而建立了量子力学,请思考一下这两种新学说对牛顿力学是一种否定吗?

学生:相对论和量子力学都没有否定过去的科学,而只认为过去的科学是两者在一定条件下的特殊情形.

[案例分析二]

如图为设在美国伊利诺伊州费米实验室的圆形粒子加速器(或称同步回旋加速器),电子经加速器加速后,能量可达到100 GeV,电子速度达到0.999 999 999 987倍的光速.这时牛顿力学的规律还适用吗?

学生自己先独立思考后分小组交流讨论得出答案.

回答:牛顿力学在低速运动的广阔领域(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,但在高速领域不再适用.

教师点评:要比较牛顿力学和相对论的区别,关键不但要知道各自的适用范围,还要区分开两个速度:速度远小于真空中光速的,称为低速;速度接近于真空中光速的,称为高速.

[归纳总结]

(1)牛顿力学适用于低速运动的物体,不适用于高速(接近光速)运动的物体,相对论阐述物体在以接近光的速度运动时所遵从的规律.

(2)牛顿力学适用于宏观世界,一般不适用于微观粒子,而量子力学则能够正确描述微观粒子的运动规律.

(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.

[巩固练习]

(多选)以下说法正确的是(　BC　)

A.牛顿力学理论普遍适用,大到天体,小到微观粒子均适用

B.牛顿力学理论具有一定的局限性

C.在牛顿力学中,物体的质量不随运动状态改变而改变

D.相对论和量子力学否定了牛顿力学理论

解析:牛顿力学理论具有一定的局限性,它只适用于低速、宏观物体的运动,选项A错误,B正确;在牛顿力学中,物体的质量不随运动状态的改变而改变,即物体的质量和物体运动的速度无关,选项C正确;相对论和量子力学并没有否定过去的科学,而是认为牛顿力学理论是两者在一定条件下的特殊情形,选项D错误

课堂检测

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(6.63×10－34 J•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(6.63×10－34 J•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：A C

知识小结

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。