《5相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性》設(shè)計

《5.相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性》教學(xué)設(shè)計教學(xué)目標(biāo)與核心素養(yǎng)教學(xué)目標(biāo)1.知道以牛頓運(yùn)動定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)的適用范圍。2.知道相對論、量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系。3.通過對牛頓力學(xué)適用范圍的討論，使學(xué)生知道物理中的結(jié)論和規(guī)律一般都有其適用范圍，認(rèn)識知識的變化性和無窮性，培養(yǎng)獻(xiàn)身于科學(xué)的時代精神。核心素養(yǎng)物理觀念：了解相對論-量子論的建立對人類深入認(rèn)識客觀世界的作用，知道物理學(xué)改變?nèi)藗兪澜缬^的作用?？茖W(xué)思維：經(jīng)歷科學(xué)家建立相對論和量子論的思維探索過程，認(rèn)識科學(xué)思維的意義?？茖W(xué)探究：通過閱讀課文體會一切科學(xué)都有自己的局限性，新的理論會不斷完善和補(bǔ)充舊的理論，人類對科學(xué)的認(rèn)識是無止境的?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過對牛頓力學(xué)適用范圍的討論，使學(xué)生知道物理中的結(jié)論和規(guī)律一般都有其適用范圍，認(rèn)識知識的變化性和無窮性，培養(yǎng)獻(xiàn)身于科學(xué)的時代精神。教學(xué)重點(diǎn)了解經(jīng)典力學(xué)的局限性。教學(xué)難點(diǎn)了解相對論、量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系。教學(xué)過程導(dǎo)入經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動定律，萬有引力定律更是樹立了人們對牛頓物理學(xué)的尊敬。通過前面的學(xué)習(xí)，我們知道從天體的運(yùn)動到地面上的各種物體的運(yùn)動，從大氣的流動到地殼的變動，所有這些都服從經(jīng)典力學(xué)規(guī)律。那么，是不是任何情境下都遵從經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律呢？一、牛頓力學(xué)時空觀時間與空間都是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動而存在的。這種絕對時空觀，也叫牛頓力學(xué)時空觀。在牛頓力學(xué)時空觀里，時間像一條看不見的“長河”，均勻地自行流逝著，空間像一個廣闊無邊的房間，它們都不影響物體及其運(yùn)動。所以不管選什么參考系，不管物體怎么運(yùn)動，物體的時間、長度、質(zhì)量等等的測量結(jié)果肯定是一樣的。思考1：若河中的水以相對于岸的速度v水岸流動，河中的船以相對于水的速度v船水順流而下，則船相對于岸的速度v船岸如何表示？v船岸＝v船水＋v水岸思考2：設(shè)想人類可以利用飛船以0.2c的速度進(jìn)行星際航行。若飛船向正前方的某一星球發(fā)射一束激光，該星球上的觀察者測量到的激光的速度是否為1.2c？出示圖片：飛船向正前方的某一星球發(fā)射一束激光問題的答案似乎應(yīng)為1.2c，然而，事實并非如此！因為經(jīng)典力學(xué)不再適用。經(jīng)典力學(xué)只適用于解決低速運(yùn)動問題，不能用來處理高速運(yùn)動問題，要解決這一問題就需要用到相對論時空觀。二、相對論時空觀思考：19世紀(jì)，英國物理學(xué)家麥克斯韋根據(jù)電磁場理論預(yù)言了電磁波的存在，并證明電磁波的傳播速度等于光速C這個速度是相對哪個參考系而言的？出示圖片：麥克斯韋英國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家出示圖片：邁克爾遜：波蘭裔美國藉物理學(xué)家。1887年的邁克耳孫—莫雷實驗以及其他一些實驗表明：在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的所以證明電磁波的傳播速度等于光速c，無論對于哪個參考系而言都是一樣的。1.愛因斯坦的兩個假設(shè)（1）相對性原理：在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的；表明在任何慣性系中研究某個物體的某一運(yùn)動過程，其運(yùn)動規(guī)律形式不變。（2）光速不變原理：真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的。表明了經(jīng)典時空觀與相對論時空觀的不同。2.相對論時空觀的內(nèi)容認(rèn)為時間和空間是相互聯(lián)系、相互影響的，并且與物質(zhì)的存在及運(yùn)動有關(guān)。思考討論：在經(jīng)典物理學(xué)中，如果兩個事件在一個參考系中是同時的，在另一個參考系中一定也是同時的。但是，如果按照愛因斯坦的兩個假設(shè)，結(jié)論還是這樣嗎？根據(jù)愛因斯坦假設(shè)：真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的，兩個事件在一個參考系中是同時的，在另一個參考系中不一定也是同時的。例如：假設(shè)一列火車沿平直軌道飛快地勻速行駛。車廂中央的光源發(fā)出了一個閃光，閃光照到了車廂的前壁和后壁。（1）車上的觀察者以車廂為參考系，閃光到達(dá)前后兩壁的時間相同嗎？（1）車下的觀察者來說，以地面為參考系，閃光到達(dá)前后兩壁的時間相同嗎？甲參考答案：（1）如圖甲所示：因為車廂是個慣性系，閃光向前、后傳播的速率相同，光源又在車廂的中央，閃光當(dāng)然會同時到達(dá)前后兩壁。根據(jù)愛因斯坦的假設(shè)：真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的，所以他以地面為參考系，閃光向前、后傳播的速率對地面也是相同的。在閃光飛向兩壁的過程中，車廂向前行進(jìn)了一段距離，所以向前的光傳播的路程長些即：閃光先到達(dá)后壁，后到達(dá)前壁因此，這兩個事件不是同時發(fā)生的。3.時間延緩效應(yīng)如果相當(dāng)于地面以v運(yùn)動的慣性參考系上的人觀察到與其一起運(yùn)動的物體完成某個動作的時間間隔為Δτ，地面上的人觀察到該物體在同一地點(diǎn)完成這個動作的時間間隔為Δt，則由于1－<1，所以總有Δt>Δτ，此種情況稱為時間延緩效應(yīng)。4.長度收縮效應(yīng)如果與桿相對靜止的人測得桿長是l0，沿著桿的方向，以v相對桿運(yùn)動的人測得桿長是l，那么兩者之間的關(guān)系是由于1－<1，所以總有l(wèi)<l0，此種情況稱為長度收縮效應(yīng)。（1）式和（2）式表明：運(yùn)動物體的長度（空間距離）和物理過程的快慢（時間進(jìn)程）都跟物體的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)。這個結(jié)論具有革命性的意義，它所反映的時空觀稱作相對論時空觀。愛爾蘭物理學(xué)家佛茲杰拉德提出，物質(zhì)會在運(yùn)動的方向上收縮（縮?。?，這意味著根據(jù)一個靜止觀察者的觀點(diǎn)，一枚以接近光線運(yùn)行的火箭所表現(xiàn)出的長度會比它靜止時更短，盡管乘坐火箭的人看來并沒有什么兩樣。愛因斯坦指出，任何物體以光速運(yùn)動時，其長度將會縮短為零。思考與討論：已知μ子低速運(yùn)動時的平均壽命是3.0μs。當(dāng)μ子以0.99c的速度飛行，若選擇μ子為參考系，此時μ子的平均壽命是多少？對于地面上的觀測者來說，平均壽命又是多少？相對于光速而言，低速運(yùn)動即可近似認(rèn)為速度為0，即若選擇與μ子一起運(yùn)動的某一物體為參考系，此時μ子的平均壽命是3.0μs。對于地面上的觀測者來說狹義相對論認(rèn)為時間不是絕對的（即固定不變的），愛因斯坦指出，隨著物體（觀察者所見到的）運(yùn)動速度的加快，時間會變慢。思考：相對論時空觀的第一次宏觀驗證是在1971年進(jìn)行的。當(dāng)時在地面上將四只銫原子鐘調(diào)整同步，然后把它們分別放在兩架噴氣式飛機(jī)上做環(huán)球飛行，一架向東飛，另一架向西飛。兩架飛機(jī)各繞地球飛行一周后回到地面，與留在地面上的銫原子鐘進(jìn)行比較。它們的時間有什么不同？根據(jù)狹義相對論，隨著物體（觀察者所見到的）運(yùn)動速度的加快，時間會變慢。向東飛行時銫原子鐘的度數(shù)比地球上的銫原子鐘慢了這是因為向東飛行速度比地面上的大；而向西飛行的銫原子鐘比地球上的快了，這是因為向西飛飛機(jī)的速度和地球自轉(zhuǎn)相抵消，它們的速度比地面上的?。恢R拓展1.狹義相對論按照狹義相對論而言，物體運(yùn)動時質(zhì)量會隨著物體運(yùn)動速度增大而增加(質(zhì)速關(guān)系)，同時，空間和時間也會隨著物體運(yùn)動速度的變化而變化，即會發(fā)生尺縮效應(yīng)和鐘慢效應(yīng)。質(zhì)速關(guān)系：m0是物體靜止時的質(zhì)量，m是物體速度為v時的質(zhì)量，c是真空中的光速。2.從弱引力到強(qiáng)引力按牛頓的萬有引力定律推算，行星應(yīng)該沿著一些橢圓做周期性運(yùn)動，而天文觀測表明，行星的軌道并不是嚴(yán)格閉合的，它們的近日點(diǎn)在不斷地旋進(jìn)，如水星的運(yùn)動，由經(jīng)典力學(xué)與行星軌道的矛盾說明了什么？參考答案：經(jīng)典力學(xué)只適用于弱引力場，而不適用于強(qiáng)引力場。三、牛頓力學(xué)的成就與局限性像一切科學(xué)一樣，牛頓力學(xué)沒有也不會窮盡一切真理，它也有自己的局限性。它像一切科學(xué)理論一樣，是一部“未完成的交響曲”。1.牛頓力學(xué)的成就（1）經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動定律，牛頓運(yùn)動定律和萬有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊區(qū)域，包括天體力學(xué)的研究中，經(jīng)受了實踐的檢驗，取得了巨大的成就。（2）。牛頓運(yùn)動三定律和萬有引力定律把天體的運(yùn)動與地面上物體的運(yùn)動統(tǒng)一起來，是人類對自然界認(rèn)識的第一次大綜合，是人類認(rèn)識史上的一次重大飛躍。牛頓力學(xué)在如此廣闊的領(lǐng)域里與實際相符合，顯示了牛頓運(yùn)動定律的正確性和牛頓力學(xué)的魅力2.局限性（1）物體在以接近光速運(yùn)動時所遵從的規(guī)律，有些是與牛頓力學(xué)的結(jié)論并不相同的。所以經(jīng)典力學(xué)只適用于物體的低速運(yùn)動。（2）在微觀世界中，發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，而且發(fā)現(xiàn)它們不僅具有粒子性，同時還具有波動性，量子力學(xué)能很好地描述微觀粒子的運(yùn)動規(guī)律。經(jīng)典力學(xué)不適用于微觀領(lǐng)域中物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能量不連續(xù)的現(xiàn)象（3）經(jīng)典力學(xué)規(guī)律只在慣性參考系中成立經(jīng)典力學(xué)規(guī)律只能用于宏觀、低速（與光速相比）的情形，且只在慣性參考系中成立。說明（1）基于實驗檢驗的牛頓力學(xué)不會被新的科學(xué)成就所否定，而是作為某些條件下的特殊情形，被包括在新的科學(xué)成就之中。（2）當(dāng)物體的運(yùn)動速度遠(yuǎn)小于光速c時（c＝3×108m/s），相對論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別；（3）當(dāng)另一個重要常數(shù)即普朗克常量h可以忽略不計時（h＝6.63×10-34J·s），量子力學(xué)和牛頓力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別。（4）相對論與量子力學(xué)都沒有否定過去的科學(xué)，而只認(rèn)為過去的科學(xué)是自己在一定條件下的特殊情形?？茖W(xué)漫步1.宇宙的起源與演化我們的宇宙是在約138億年以前從一個尺度極小的狀態(tài)發(fā)展演化來的。在這個過程中，宇宙的溫度從高到低，先是生成一些基本粒子形態(tài)的物質(zhì)，接著產(chǎn)生了原子、分子等各種物質(zhì)，物質(zhì)再進(jìn)一