5. 相对论时空观与牛顿力学的局限性（教学课件）物理人教版必修第二册

第七章 万有引力与宇宙航行 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 目录 学习目标 重点难点 课堂导入 探究新知 课堂小结 课堂练习 布置作业 1 2 3 4 5 6 7 2 01 02 03 04 物理观念 理解牛顿力学的绝对时空观，掌握爱因斯坦狭义相对论的两条基本假设，认识同时的相对性、时间延缓效应和长度收缩效应。 科学思维 通过对比经典时空观与相对论时空观，体会物理模型随观测精度和认知深度的发展而修正的过程，理解“理论的局限性”是科学发展的必然。 科学探究 设计“火车闪光”“杆长测量”等思想实验，模拟不同参考系下的观测结果，定性分析同时性、时间、长度的相对性。 科学态度与责任 学习爱因斯坦突破经典物理学框架、提出相对论的勇气，理解“质疑-假设-验证”是推动科学进步的核心动力。 学习目标 相对论时空观 01 牛顿力学的成就与局限性 02 教学内容 教学重点 1 教学重点 2 教学难点 3 知道经典时空观和爱因斯坦的两条假设。 认识牛顿力学的成就与局限性。 了解时间延缓效应、长度收缩效应。 重点难点 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？ 课堂导入——思考与讨论 我们知道，如果河水中的河水以相对河岸的速度v水岸流动，河中的船以相对于水的速度v船水顺流而下，则船相对于岸边的速度为： 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。 课堂导入——思考与讨论 01 PART 01 第一部分 相对论时空观 探究新知 8 麦克斯韦 麦克斯韦预言电磁波存在，证明其传播速度等于光速。 探究新知——牛顿力学与电磁波理论遇到了怎样的矛盾和冲突 迈克耳孙 1887年迈克耳孙-莫雷实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的。 9 9 (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。 探究新知——爱因斯坦的假设 10 10 如果你接受了爱因斯坦的两个假设，假设一列火车沿平直轨道飞快的地匀速行驶，车厢中央的光源发出了一个闪光，那么在车上的人和在车下的人，看到闪光照到车厢前壁和后壁这两个时间是否都是同时发生的呢？ 探究新知——思考与讨论 11 11 探究新知——同时的相对性 12 12 如果相当于地面以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，则 。由于1-( )2<1，所以总有Δt>Δτ，此种情况称为时间延缓效应。 探究新知——时间的延缓效应 13 13 【典例1】有一种基本粒子叫μ子，当它低速运动时，它的平均寿命是3.0μs，当μ子以0.99c的速度飞行时，若选μ子为参考系，μ子的平均寿命是多少？若以地面为参考系，μ子的平均寿命是多少？ 解析：若选μ子为参考系，μ子的平均寿命为t1=3.0μs；若以地面为参考系，μ子的平均寿命为t2。 探究新知——思考与讨论 如果与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以v相对杆运动的人测得杆长是l，那么两者之间存在怎样的关系？ 探究新知——思考与讨论 15 15 探究新知——长度收缩效应 16 16 （1）长度收缩效应:一条沿自身长度方向运动的杆,其长度总比杆静止时的长度变小。 （2）长度变换公式: 探究新知——长度收缩效应 17 17 探究新知——典例解析 C 【典例2】真空中光速为c。如图为一车厢，向右作匀速直线运动，，车厢内中心有一光源，上方有一个接收器，车厢内可视为真空。车厢内的人测得车厢长为，则地面上的人测得车厢长为，则（　　） A． B． C． D．无法判断 探究新知——典例解析 【答案】C 【详解】根据尺缩效应，车厢内的人测得车厢长为，则地面上的人测得车厢长为。 故选C。 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。 探究新知——相对论时空观的第一次验证 02 PART 02 第二部分 牛顿力学的成就与局限性 探究新知 21 从地面上物体的运动到天体的运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动，从投出篮球到发射导弹、人造地球卫星、宇宙飞船……所有这些都服从牛顿力学的规律。 探究新知——牛顿力学的成就 22 22 (1)牛顿力学不适用于高速运动。 (2)物理学研究深入到微观世界，发现了电子、质子、中子等微观粒子，而且发现它们不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明。 探究新知——牛顿力学的局限性 只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界。 23 23 探究新知——相对论和量子力学与牛顿力学的关系 (1)当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别。 (2)当另一个重要常量即“普朗克常量”可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别。 (3)相对论和量子力学并没有否定经典力学，经典力学是二者在一定条件下的特殊情形。 24 24 【典例3】关于牛顿力学、相对论和量子力学，下列说法正确的是（    ） A．牛顿力学适用于研究宏观物体的低速运动 B．由于相对论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值 C．高速运动的子寿命变长这一现象，既能用相对论时空观解释，又能用经典理论解释 D．不论是宏观物体，还是微观粒子，牛顿力学和量子力学都是适用的 探究新知——典例解析 A 探究新知——典例解析 【答案】A 【详解】A．牛顿力学适用于研究宏观物体的低速运动，A正确； B．在微观高速领域，要用量子力学和相对论来解释，但是并不会因为相对论和量子力学的出现，就否定了牛顿力学，牛顿力学作为某些条件下的特殊情形，被包括在新的科学成就之中，不会过时，也不会失去价值，B错误； C．高速运动的子寿命变长这一现象，属于微观高速运动，只能用相对论时空观解释，不能用经典理论解释，C错误； D．宏观低速物体，牛顿力学适用，微观粒子，量子力学适用，D错误。 故选A。 课堂小结 课堂练习 A 1．在狭义相对论中，下列说法中正确的是（　　） A．经典物理学可视为相对论在低速运动时的特例 B．真空中光速在不同的惯性参考系中是不相同的 C．在高速运动情况下，惯性参考系中的物理规律不一定相同 D．狭义相对论全面否定了经典物理学 课堂练习 【答案】A 【详解】AD．相对论的出现，并没有否定经典物理学。经典物理学是相对论在低速运动条件下的特殊情形，故A正确，D错误； B．根据狭义相对论的光速不变原理，真空中光速在不同的惯性参考系中是相同的，故B错误； C．根据狭义相对论的相对性原理，物理规律在所有惯性系中都具有相同的形式，故C错误。 故选A。 课堂练习 B 2．对于时空观的认识，下列说法正确的是（　　） A．相对论给出了物体在低速运动时所遵循的规律 B．相对论具有普遍性，经典物理学为它在低速运动时的特例 C．相对论的出现使经典物理学在自己的适用范围内不再继续发挥作用 D．经典物理学建立在实验的基础上，它的结论又受到无数次实验的检验，因此在任何情况下都适用 课堂练习 【答案】B 【详解】相对论给出了物体在高速运动时所遵循的规律，经典物理学为它在低速运动时的特例，在自己的适用范围内还将继续发挥作用，ACD错误，B正确。 故选B。 课堂练习 D 3．属于狭义相对论基本假设的是：在不同的惯性系中（　　） A．物体的质量不变 B．时间间隔具有相对性 C．物体的能量与质量成正比 D．物理规律都具有相同的形式 课堂练习 【答案】D 【详解】A．相对论中，质量是与运动状态相关的，速度越大，质量越大，故A错误； B．在狭义相对论中，同时是相对的，所以在不同的惯性系中时间间隔具有相对性，但不属于狭义相对论基本假设，故B错误； C．根据E=mc2可知，爱因斯坦质能方程给出了物体的能量与它的质量成正比关系，但不属于狭义相对论基本假设，故C错误； D．狭义相对论认为，一切惯性参考系中所有的物理规律都具有相同，故D正确。 故选D。 4．在地面上的观察者看来，光源发出的闪光（　　） A．同时到达车厢前壁和后壁 B．先到达前壁 C．不会到达前壁和后壁 D．先到达后壁 课堂练习 D 课堂练习 【答案】D 【详解】对于地面上的观察者来说，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，在闪光飞向两璧的过程中，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。 故选D。 5．如图所示，甲站在水平木杆AB的中央O点附近，并且看到木杆落在地面上时是两端同时着地的；若此时乙站在向右运动的火车中以接近光速的速度从木杆前面掠过，则（　　） A．乙看到木杆的B端比A端先落地 B．乙看到木杆的A端比B端先落地 C．乙看到木杆的两端同时落地 D．乙看到的木杆长度比甲看到的木杆长度更长 课堂练习 A 课堂练习 【答案】A 【详解】ABC．当乙掠过木杆时，在乙看来，木杆不仅在下落，而且木杆的端还在朝乙运动，因此，在甲看来同时发生的两个事件，在乙看来首先在端发生，故乙看到木杆的端比端先落地。故A正确；BC错误； D．根据尺缩效应可知，乙看到的木杆长度比甲看到的木杆长度更短。故D错误。 故选A。 布置作业 1.认真阅读课本本节内容，并完成课后“练习与应用”； 2.完成分层作业。 谢谢聆听 鼎力物理制作，盗版必究 谢谢聆听 Lavf58.20.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf58.20.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $