7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 教学设计 -2024-2025学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

《相对论时空观与牛顿力学的局限性》教学设计 教学目标 1.物理观念： (1)知道爱因斯坦狭义相对论的基本假设。 (2)知道相对论时空观。 2.科学思维： (1)通过逻辑推理，感受牛顿力学在高速世界与事实的矛盾。 (2)基于狭义相对论的基本假设，推导同时的相对性和时间间隔相对性的表达式，知道长度相 对性的表达式。 3.科学态度与责任： (1)了解狭义相对论产生的历史背景，培养实事求是的科学态度。 (2)知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动，知道科学真理是相对的。 教学内容 教学重点： 1.知道同时的相对性。 2.理解时间延缓效应和长度收缩效应。 3.知道牛顿力学的局限性。 教学难点： 1.理解时间延缓效应和长度收缩效应。 2.正确应用时间间隔相对性和长度相对性的表达式。 教学过程 教学 环节 教师活动 学生活动 设计意图 导入 简述北斗卫星导航系统的成就 与意义后，提出问题：至少需要接 收几颗卫星的信号才能准确定位? 答：三颗，四颗，五 颗...... 增强学生的 民族自豪感，激 发学生的求知欲 望，引出本节的 教学任务。 狭义相 对论产 生的历 史背景 形象地描述经验中对时间、空 间的认识，概述绝对时空观。 以船在动水中运动的例子回顾 经典力学中的速度变换关系。 问：假想在一列以0.2c的速度 行驶的火车中，打开手电筒朝列车 行驶的方向射出一束光，那么站台 上的观察者测量到的光速是多少? 简述麦克斯韦电磁理论和迈克 尔孙-莫雷实验都指出真空中的光 速c不依赖于参考系。 简述爱因斯坦洞察出内在的基 本矛盾，确定了新的时空观，并建 立了狭义相对论。 总结：时间与空间都是 独立于物体及其运动而存 在的。 答：1.2c! 体会经典力学与电磁 理论和实验事实的冲突! 通过逻辑推 理，使学生感受 到牛顿力学在高 速世界与事实的 矛盾。 通过了解狭 义相对论产生的 历史背景，培养 学生的实事求 是、敢于质疑的 科学态度。 狭义相 对论的 两个假 设 简述狭义相对论的两个假设， 狭义相对论的相对性原理和光速不 变原理。 布置任务一。 问：(1)如果光速服从经典的速 度变换关系，试估算A、B处的强光 到达地球的时间差。(2)将上述结果 与史实对比，说明了什么? 阅读北宋时期记载的 超新星爆发事件的资料。 答：(1)由A点发的光 到达地球的时间是 由B点发的光到达地球的时 间 , 代入数值L= 5000光年、u=15001m/s, 得 t’ - t ≈ 2 5 年 。 (2)至少在25年的时间内都 可以看到爆发时产生的强 对于光速不 变原理，学生虽 能理解，却无法 直接验证，引导 学生研究与光速 相关的史实资 料，有助于学生 接受光速的绝对 性。 光。然而，历史记载一年多 就看不见强光了。这就证明 光速并不遵从经典的速度 变换关系。 相 对 论 时 空 观 一、同时的相对性 情境：假设一列火车沿平直轨 道以0.2c的速度匀速行驶，车厢中 央的光源发出了一个闪光，闪光会 照到车厢的前壁和后壁。 设车厢参考系为S系，地面参 考系为S',S系、S′系都是惯性系。 基于狭义相对论的两个假设，推理 分别在S系、S系中观察，闪光到 达车厢前、后壁的两个事件发生的 先后顺序。 结合动画，推理出：在 S'系中观察，根据光速不变 原理，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，闪光先到达后壁，后到 达前壁。 在简单的情 境中，应用狭义 相对论的基本假 设，引导学生自 己推理，一是使 学生更能信服和 理解“同时”的 相对性，突出重 点；二是培养了 学生科学思维。 u=0 2c S系 师(示范):在S系中观察，光 向前向后传播的速率相同，光源到 前后壁的距离又相等，应用物理规 则S系中的人将看到，光 信号同时到达前后壁。 总结：“同时”是相对的，它决 定于选用哪个参考系。当参考系变 化时，同时的事件可能变成不同时。 二、时间延缓效应 情境：设计一种雷达钟来测量 时间间隔，反射板与雷达天线之间 相 对 论 时 空 观 的距离是h,雷达发出的信号受到板 的反射后，再被雷达接收到，这一 动作记为一个时间间隔。让甲乙两 人各有一个雷达钟，甲乙相对运动， 甲和甲钟向左，乙和乙钟向右，设 相对速度为v,甲乙各会看到什么现 象? 师(讲解):甲测得甲钟一个时 间间隔为原时。而甲会观察 到乙钟雷达信号一个回走的距离大 于2h,甲的结论是乙钟慢了。 设甲测得乙钟一个时间间隔为 动时△t。 问：乙各会看到什么现象? 总结：运动的钟会变慢。 布置任务二：推导原时与动时 的关系。 △t>△t,这种情况称为时间延缓效 应。 推导出动时表达式： 结合动画，推理出：乙 测得乙钟一个时间间隔为 原时 而乙观察到 甲钟雷达信号一个回走的 距离大于2h,乙测得甲钟一 个时间间隔为动时△t,乙的 结论是甲钟慢了。 推导出原时与动时的 选取合适的 情境，甲、乙都 在运动，甲、乙 各有一个雷达 钟，分别站在甲、 乙的立场分析， 有助于学生理解 原时与动时，并 深刻地认识到钟 慢是对称的，突 出重点，突破难 点 。 通过布置任 务，让学生独立 推导动时与原时 的关系，帮助学 生理解时间延缓 效应的同时，也 提高了学生的科 学推理能力。 关系： 相 对 论 时 空 观 三、长度收缩效应 情境：在两个惯性参考系S系、 S′系中测量同一把尺子，尺子相对 于S系是静止的。S系、S'系在沿 着尺子的方向上相对运动，相对速 度为v。 师：在S系中测得的尺长为静 长lo,在S′系中测得的尺长为动长 l。 结论：根据相对论的两个基本假设， 可以推导 师：这种情况称为长度收缩效 应。 深化：尺缩与钟慢一样，是对 称的。 总结：时间与空间都是相对的， 并不是独立于物体及其运动而存在 的 。 四、相对论时空观的验证 1.第一次宏观验证：环球飞行 的铯原子钟计时的差异。 2.高速运动的μ子寿命变长的 现象。 布置任务三：μ子低速运动时， 它的平均寿命是3.0μs。当μ子以 0.99c的速度飞行时，(1)若选μ子为 推理： v<C, l<l0 结合动画，理解：如果 甲、乙之间有相对运动，那 么,甲看到乙的尺缩短了， 乙看到甲的尺缩短了。这个 结论表示空间的测量也与 参考系有关。 答：(1)若选μ子为参考 系，μ子的平均寿命为= 有了学习时 间延缓效应的基 础，可以直接给 出静长、动长的 定义及关系，学 生不难理解。 相对论时空 观对学生的传统 认识具有强烈的 冲击性，能使学 生认识到科学是 发展的，真理是 相对的 通过举例证 实相对论时空观 的正确性，并设 计合理的情境使 学生参与到论证 的过程中，使学 生认识到相对论 相 对 论 时 空 观 参考系，μ子的平均寿命是多少? (2)若以地面为参考系，μ子的平均 寿命是多少?(3)如何解释地面附 近实际观测到的μ子数大于经典理 论作出的预言? 五、相对论时空观的理解 布置任务四：有传言称，根据 相对论时空观，速度越快，时间越 慢，如果乘坐宇宙飞船以光速飞行， 就实现可以长生不老了。你同意这 种说法吗? 问：我们为什么感受不到这种 钟慢尺短的效应? 情境：高铁列车以400km的时 速相对地面做匀速直线运动。地面 一事件历时10s,在列车参考系测 得此事件历时多久? 问：若我们乘坐的是速度为 0.99c的爱因斯坦列车，观测的结 果又如何呢? 总结：只有当运动速度非常接 近光速时，静止者看到运动者的时 3.0μs。(2)若以地面为参考 系，μ子的平均寿命为t= 。(3)由于 平均寿命增加，飞行的距离 也变大了，所以在地面附近 实际观测到的μ子的数量就 多了。 答：这种说法是错误 的。飞船内部的时间会正常 流逝，船内的人也会生老病 死。真正能感觉到飞船内的 人青春永驻的，只有低速运 动状态下的地球人。 答：地面上的事件在地 面参考系测量的是原时 △t=10s;在列车参考系测 量得到的时间为动时△t= 10+6.9×10-13s,十万亿 分之一秒的差值，几乎谁也 感觉不到。 答：△t=70.9s。相对 论效应十分明显。 经受住了实验和 事实的检验，看 似不可思议，实 则让人信服。 应用对时间 延缓效应的理 解，辨别传言的 真假，培养学生 实事求是的科学 态度与责任感。 通过对比高 铁列车与爱因斯 坦列车的观测数 据，学生更能直 观地认识到生活 中感受不到相对 论效应的原因。 间延缓效应才会明显。 牛顿力 学的成 就与局 限性 布置任务五：阅读教材，回答 问题。 1.举例说明，哪些成就得益于 牛顿力学理论? 2.牛顿力学理论的适用条件是 什么? 3.牛顿力学理论与相对论物理 学、量子力学有何关系? 答 ： 1.拦河筑坝，修建桥 梁，发射卫星 …. 2.低速运动，宏观物 体。 3.牛顿力学作为某些 条件下的特殊情形，被包含 在相对论、量子力学之中。 通过阅读任 务，学生认识到 成就斐然的牛顿 力学也有自己的 局限性，真理是 相对的，任何科 学也无法穷尽一 切真理，突出本 节课的重点。 导入 释疑 刚开始提到的北斗卫星导航系统，至少需要接收四颗卫星的 信号才能准确定位。 通常，想要定位一个位置点，只要掌握其周围不在同一直线 上的任意三个定点位置，以及它们到位置点的距离，就可以通过 计算，得到位置点的位置。而与三点定位不同，卫星定位至少需 要四颗卫星。这是因为，卫星在太空中高速运动，受相对论效应 的影响，卫星和地面接收机的时间流逝并不同步，需要引入第四 颗卫星，用于同步各颗卫星和接收机的时间。 首尾呼应， 以学生熟悉的北 斗卫星导航系统 为例说明相对论 的实际应用，拉 近了学生与深奥 的理论的距离， 认 识 科 学 · 技 术 ·社会 ·环境 的关系。 课堂 练习 如图所示，某人在地面测量身高为1.65m,当她乘坐火箭以v的速度匀速离开地 面，在火箭里再次测量身高，得到的结果应该是( C ) A.>1.65m B.<1.65m C.=1.65m D.不确定 量 b)在 量 课堂 小结 课后 作业 1.阅读教材“科学漫步”栏目，了解宇宙的起源与演化，了解恒星的演化。 2.完成作业练习题。 学科网（北京）股份有限公司 $$