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

5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 目标素养 1．物理观念：知道爱因斯坦的两个假设，知道时间延缓效应和长度收缩效应的表达式，知道牛顿力 适用于低速、宏观物体的运动，了解相对论的内容。 2．科学思维：认识牛顿力学在高速世界中与事实的矛盾，能够在具体情境中根据爱因斯坦的假设“相同”物理过程的“不同时”性。 局限性与两种时空的联系。 4．科学态度与责任：了解宇宙起源的大爆炸理论，知道科学真理是相对的，体会人类对自然界的探 不断深入的进程，树立未知世界必将在人类的探索中被揭开更多谜底的信念。 重点难点 重点 相对牛力观的别。 时间延缓效应和尺度收缩效应的理解和应用。 教学准备 教师准备 制作本节课的多媒体课件。 学生准备 预习本节课的教材内容，搜集“相对论建立过程”的相关资料。 导入新课 导入（视频导入） 教师 播放电影《星际穿越》的片段，并提出问题：为什么墨菲的爸爸比墨菲还要年轻？该用什么知识解释这种神奇的现象呢？ 教学过程 环节一：绝对时空观与光速不变实验的矛盾 如图甲所示是高铁内显示的时间和速度。如图乙所示，设想人类可以利用飞船以0.2c的速度进行星际航行，若此时飞船向正前方的某一星球发射一束激光。请同学们思考以下问题： 甲 乙 （1）在高铁运行的过程中，高铁上的乘客观察到的时间、长度与地面上的观察者观察到的相同吗？时间和空间都不会因为物体运动而改变的观念是什么？ （2）如图乙所示的情况中，星球上的观察者测量到的激光的速度是多少？判断的依据是什么？是否与我们已有的知识相矛盾？ 学生 分小组讨论后总结：时间和空间都是独立于物体及其运动而存在的，所以高铁上的乘客和地面上观察者观察到的结果是相同的，这种时空观叫绝对时空观，也叫牛顿力学时空观。由我们学过的运动的合成知识可以知道，星球上的观察者测量到的激光速度是1.2c。但这与我们之前知道的光速c是自然界最快的速度矛盾了。 教师 这里确实存在矛盾，那么哪个是正确的呢？我们都知道电磁波的传播速度是c，有指明这个速度是相对于哪个参考系的吗？没有指明说明了什么？ 学生 没有说明相对于哪个参考系，说明对于任何参考系光速都是c。 教师 事实上，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。1887年的迈克耳孙一莫雷实验也说明了光速与参考系的选取无关，即光速是不变的。在事实面前，当时的很多科学家仍然坚持光速是可叠加的，只是对部分结果进行了一些修补。爱因斯坦则主张彻底放弃某些与事实不符的观念，提出了两条假设-相对性原理与光速不变原理。相对性原理是指在所有参考系中物理规律形式相同。光速不变原理是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。 环节二：相对论时空观 一列火车以速度v相对地面高速运动，位于火车车厢正中央的光源，在某一时刻发出了一个闪光，如图所示。 教师 以自身为参考系，火车是运动的吗？ 学生 火车是静止的。 教师 相对于火车，闪光是否同时到达前壁和后壁？ 学生 以自身为参考系，火车就是相对静止的，向前、向后的闪光运动速度相同，运动的距离也相同，所以运动时间也相同，会同时到达前壁和后壁。 教师 以地面为参考系，光刚从光源发出时，前壁和后壁与光源的距离是否相等？经过Δ时间后，前壁和后壁与光发出时的位置的距离还相等吗？为什么？根据光速不变原理，光到达前壁的时间与光到达后壁的时间还相等吗？请同学们分小组讨论并回答。 学生 以地面为参考系，光刚从光源发出时，光源与前壁和后壁的距离相等。经过一段时间后，向前的闪光与向前运动的前壁相遇，向后的闪光与向前运动的后壁相遇，可知向前的闪光到达前壁的位移大于向后的闪光到达后壁的位移。由于向前、向后的闪光的速度都是c，所以向前的闪光运动时间长，闪光先到达后壁。 教师 我们发现，相同的过程，在相对静止的参考系中观察是同时发生的，但在相对运动的参考系中观察的结果却是不同时的。可见，“同时”是相对的。假设前壁和后壁之间的距离（车长）是2L，你能导出时间差的关系吗？ 学生 设光到达前壁的时间是t1，到达后壁的时间是t2。可得，解得 教师 爱因斯坦导出了更具普遍性的结论。请同学们阅读教材，与同学们分享你对这两个公式的理解。 学生 如果相对于地面以速度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，那么两者之间的关系为 ，由于，所以总有Δt>Δτ,这种现象称为时间延缓效应。 如果与杆相对静止的人测得杆的长度为l。，沿着杆的方向，以速度v相对于杆运动的人测得杆的长度为l，那么两者之间的关系为，由于，所以总有，此种情况称为长度收缩效应。 教师 爱因斯坦告诉我们，时间和空间是相对的，与观察者的运动状态有关。这个结论具有革命性的意义，它所反映的时空观称作相对时空观。下面我们应用这个知识解释下面的问题：科学家发现μ子以0.99c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。请你分析其中的缘由。 学生 根据相对论的时间延缓效应，在地面进行观察时，μ子运动速度是0.99c，所以μ子的平均寿命会变长，运动距离也会变大，因此在地面上测量到的数量会更多。 教师“高速运动的μ子寿命变长”这一现象，用经典理论无法解释，用相对论时空观可得到很好的解释。这一研究结果成了相对论时空观最早的证据。请同学们阅读教材中的关于相对论时空观的第一次宏观验证的实验过程。 根据光速不变原理，推导并理解爱因斯坦的相对论时空观，经历科学思维的过程，对经典理论产生怀疑，并根据已有条件小心求证，感受爱因斯坦相对论改变了经典时空观念的伟大革命性。 环节三：牛顿力学的局限性 教师 当爱因斯坦的相对论提出后，牛顿力学是否还有价值？它的适用条件是什么？请大家阅读教材中的相关内容并进行交流。 牛顿在历史上曾经完美地解释了物体的运动规律，并将天上的力与地上的力统一起来。当爱因斯坦的相对论提出后，牛顿力学仍然有其实用价值，即在低速、宏观、弱引力的情形下，牛顿力学仍然成立。 教师 经典力学是经过实验检验的，不会被新的科学成就所否定，而是作为某些条件下的特殊情形，被包括在新的科学成就之中。人类对自然的探索是永无止境的。 设计意图 环节四：课堂小结 教师 本节课我们一起认识了光速不变的含义和爱因斯坦的两个假设，认识到时间、空间和运动是紧密联系的，时间和空间的这种性质就叫作时空的相对性。相对论对人的观念和思维产生了深刻的影响，在科学史上是革命性的大事件。那么，通过本节课的学习，你的认识中有了哪些巨大转变？ 学生 学习本节课之前，我认为时间是绝对的，我以为电影中出现的时间延缓都是虚构的。今天我终于知道，时间和空间会因为参考系运动的不同而不同。 核心总结 本节课介绍了光速不变原理和爱因斯坦的相对论时空观，从低速到高速、宏观到微观两个方面介绍了经典力学的局限性。本节课的内容是物理学发展史上的重大变革，通过本节课的学习，能够拓展学生的知识，开阔学生的视野，帮助学生认识到物理学理论的发展与适用范围。 教学研讨 本节课的教学设计中，充分考虑到学生的思维特点，创设的情境和提出的问题层层递进，先让学生了解经典时空观的基本含义，根据经典力学中的速度合成原理推导不同参考系的观察速度，与学生已有的知识产生矛盾，让学生产生寻找实验证据的想法。针对如何解释这个问题，通过展示物理学家的想法，引出爱因斯坦解决矛盾的两个假设。所有问题形成探索链条，帮助学生理解爱因斯坦相对论的必然性。 本节课的教学设计中，还设置了学生小组合作交流讨论的环节，也有学生阅读教材内容之后进行讨论的环节，充分利用了小组和教材的辅助作用。如果条件允许的话，可以让学生课前进行资料搜集，在课堂上让学生分组进行演讲或辩论，充分激发学生自主探究的热情，让学生在辩论中认识相对论的含义。 学科网（北京）股份有限公司 $$