2020-2021学年第七章 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2020-2021学年第七章 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7页。教案主要包含了讲授新课，牛顿力学时空观，牛顿力学的成就与局限性等内容，欢迎下载使用。

（一）知识与技能
1．知道什么是绝对时空观和相对论时空观。
2．知道爱因斯坦的两个假设。
3．知道时间延缓效应和长度收缩效应。
4．了解牛顿力学的局限性和适用范围。
（二）过程与方法
1．通过阅读教材，协作学习了解空间（长度）、时间随速度的影响，了解狭义相对论、广义相对论和量子力学跟经典力学的关系。
2．通过互联网对信息的收集和处理，逐步学会分析、解决问题以及提高与他人交流、合作能力。
3．通过实例了解经典力学的发展历程，了解经典力学的伟大成就及其对人类社会发展带来的影响。
（三）情感态度与价值观
1. 通过对牛顿力学适用范围的讨论，使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围，认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神。
2. 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；
3. 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：
重点：
1、经典力学的局限性和适用范围。
2、时间和空间的相对性
难点：
1、经典力学与量子理论和相对论的关系
教学过程：
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？
二、讲授新课：
1、牛顿力学时空观
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。
我们知道，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为 v 船岸＝ v 船水＋ v 水岸
因此，前面问题的答案似乎应为1.2c。然而，事实并非如此！
2、相对论时空观
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。

在牛顿力学理论与电磁波理论的矛盾与冲突面前，一 些物理学家仍坚持原有理论的基础观念，进行一些修补的 工作，而爱因斯坦、庞加莱等人则主张彻底放弃某些与实验和观测不符的观念，如绝对时间的概念，提出能够更好 地解释实验事实的假设。

爱因斯坦假设 ：
(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。

在经典物理学家的头脑中，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， 如果接受了爱因斯坦的两个假设，还是这样吗？
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 7.5-1 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 7.5-1 乙）。因此，这两个事件不是同时发生的。
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
（2）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。
要验证（1）（2）两式是否正确，首先要找到高速运动的物体。科学家发现 µ 子以 0.99 c 甚至更高的速度飞行。根据经典理论可计算每秒到达地球的 µ 子数，这个数值小于实际观察到的µ子数。观察到的现象与经典理论产生了矛盾。
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？
由于平均寿命增大，飞行的距离也变大，因而在地面附近实际观测到的µ子的数量就大于经典理论作出的预言。
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。实验结果与相对论的理论预言符合得很好。
3、牛顿力学的成就与局限性
1）经典力学（牛顿力学）的成就
(1) 实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。
(2) 确定了自然科学应有的基本特征。
(3) 将“实验和数学”相结合的方法推广到物理学的各个分支，形成了完整的经典力学体系。
经典力学在宏观、低速、弱引力的广阔领域；包括天体力学的研究中经受住了实践的检验，取得了巨大的成功。
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”。
2）经典力学(牛顿力学)的适用范围
（1）经典力学只适用于处理物体的低速运动(v≪c)．
（2）经典力学不适用于微观领域中能量不连续的运动．
（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．
练习：见ppt
【板书设计】
7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性
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。
【教学反思】