資源簡介

教學(xué)設(shè)計
課程基本信息
學(xué)科 物理 年級 高一 學(xué)期 春季
課題 相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性
教學(xué)目標
1. 知道愛因斯坦狹義相對論的基本假設(shè)，知道長度相對性和時間間隔相對性的表達式。 2. 感受牛頓力學(xué)在高速世界與事實的矛盾，知道牛頓力學(xué)只適用于低速、宏觀物體的運動。 3. 知道相對論、量子論有助于人類認識高速、微觀領(lǐng)域。 4. 了解宇宙起源的大爆炸理論，知道科學(xué)真相是相對的，未知世界必將在人類不懈的探索中被揭開更多的謎底。
教學(xué)內(nèi)容
教學(xué)重點： 1. 相對論時空觀。
2. 牛頓力學(xué)的局限性。
教學(xué)難點： 1. 相對論時空觀。
教學(xué)過程
任務(wù)一：了解牛頓力學(xué)時空觀 時空觀指的是關(guān)于時間和空間的根本觀點。 經(jīng)典力學(xué)認為，時間和空間都是絕對的。當(dāng)一列火車勻速駛過一個站臺，車上的人以火車為參考系，站臺上的人以地面為參考系，他們觀測到的火車的長度是相等的。在某節(jié)車廂的前后兩端各放置一個煙花，并由車上的人將兩個煙花同時點燃，那么站臺上的人觀測到，這兩個煙花的燃起也是同時的。 時間與空間都是獨立于物體及其運動而存在的，這就是絕對時空觀，也叫牛頓力學(xué)時空觀。 任務(wù)二：了解狹義相對論的兩個基本假設(shè) 1905年6月愛因斯坦發(fā)表了著名的論文《論運動物體的電動力學(xué)》也就是狹義相對論！狹義相對論的兩個基本假設(shè)是： 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 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 任務(wù)三：了解相對論時空觀與經(jīng)典力學(xué)時空觀的不同 我們在一列火車的車廂中央放置一個光源，當(dāng)它沿平直軌道飛快地勻速行駛時，光源發(fā)出了一個閃光，閃光將照到車廂的前壁和后壁。 我們將閃光到達前壁稱為事件A，將閃光到達后壁稱為事件B 車上的觀察者以車廂為參考系，事件A和事件B會同時發(fā)生嗎？閃光是否同時到達前壁和后壁？ 車上的觀察者以車廂為參考系，因為車廂勻速運動，是一個慣性參考系，則光向前向后傳播的速率相同，而光源又在車廂的中央，閃光會同時到達前后兩壁。也就是說事件A和事件B是同時發(fā)生的。 請大家再思考：地面參考系中的觀察者，會認為事件A和事件B會同時發(fā)生嗎？當(dāng)然我們認為觀察者會根據(jù)事件發(fā)生到感知所需要的時間，去推算事件發(fā)生的時刻。 首先，對于地面參考系中的觀察者來說，所以閃光向前向后傳播的速率也是相同的。光剛從光源發(fā)出時，前壁與后壁離光源是等距的；但是在閃光傳播的過程中，車廂也向前行進了一段距離，我們可以從動畫中看到，前壁與后壁離光發(fā)出時的位置不相等了，當(dāng)向后傳播的閃光到達車廂后壁的時候，向前傳播的閃光還未到達前壁，所以他觀測到的結(jié)果應(yīng)該是：閃光先到達后壁，后到達前壁。也就是說，事件A和事件B不是同時發(fā)生的。 通過上述分析我們看到，對于火車參考系來說同時發(fā)生的事件，對于地面參考系來說卻不是同時發(fā)生的，這就是同時性的相對性，這就說明時間不是絕對的，而是相對的。 任務(wù)四：了解時間間隔相對性和長度相對性的數(shù)學(xué)表達式 在愛因斯坦兩個假設(shè)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過嚴格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到系統(tǒng)完整的狹義相對論時空觀。下面介紹該時空觀中兩個完全不同于經(jīng)典時空的效應(yīng)。 相對地面以速度v勻速行駛的火車，某乘客在火車上某一位置，完成了一個動作，完成動作的時間就是動作開始和動作結(jié)束這兩個事件之間的時間間隔，若在火車參考系中這兩事件發(fā)生在同一位置，測得兩個事件時間間隔為，地面上的人觀察，由于該乘客跟著火車一起運動，認為兩個事件發(fā)生在不同的位置，若測得兩個事件的時間間隔為，狹義相對論時空觀會認為與之間會有這樣的關(guān)系……，其中v是火車相對地面的速度大小，由該式子可看出>,也就是說地上觀察者觀測到車上的人就像是在做慢動作一樣。如果動作換成是靜止于火車的鐘，秒針從指零走一圈到再次指零，那么，火車參考系中會認為發(fā)生在同一位置兩次指零事件的時間間隔為=1min，地面參考系中的觀測，兩事件發(fā)生在不同的位置，根據(jù)公式，會認為時間間隔大于一分鐘，也就是說地面觀察者會認為這個跟著火車一起運動的鐘，走得比較慢。此種情況稱為時間延緩效應(yīng)，又叫鐘慢效應(yīng)。 通過公式，不難得出，當(dāng)v=0.8c時，=，這也就意味著，當(dāng)一列火車以0.8c的速度勻速行駛時，車上的乘客觀察到過去了3分鐘的時間，而對于地面的觀察者來說，時間已經(jīng)過去了5分鐘。 當(dāng)一個人乘坐一艘v=0.96c的航天器星際航行時，根據(jù)公式可得=，也就是說，當(dāng)?shù)厍蛏系娜硕冗^了50年，這個星際旅行的人才度過了14年的時間。我們常常在科幻電影中看到這樣的場景，某人去宇宙星際旅行，等他回來的時候，地球上的朋友親人都已經(jīng)老去，他卻還是年輕的樣子，就是因為相對論效應(yīng)。速度越大，相對論效應(yīng)就越明顯。 相對地面以速度v勻速行駛的火車，地面上的人測得的車廂長度是l，火車上的人測得的車廂的長度是l0，兩者之間的關(guān)系是，由于物體的速度不可能達到光速，總有<，此種情況稱為長度收縮效應(yīng)，又叫尺縮效應(yīng)。 根據(jù)公式，可以得出，當(dāng)v=0.8c時，=，這也就意味著，當(dāng)火車以0.8c的速度勻速行駛時，車上的乘客眼中25m長的車廂，對于地面的觀察者來說只有15m。 若火車的速度增加到了v=0.96c，根據(jù)公式可得=，車上乘客看到的25m的車廂，在地面的觀察者看來只有7m。同樣也是速度越大，相對論效應(yīng)就越明顯。 通過剛才的講解，我們了解到，運動物體的時間進程和空間距離都跟物體的運動狀態(tài)有關(guān)，時間和空間都不是絕對的，而是相對的，這就是狹義相對論的時空觀。 任務(wù)五：狹義時空觀的驗證 為了驗證這個表達式是否正確，首先要找到高速運動的物體，顯然我們的火車和飛船所能達到的速度還不夠大。這里我們要認識一種微觀粒子——μ子，它是科學(xué)家在研究宇宙射線時發(fā)現(xiàn)的，能以0.99c甚至更高的速度飛行。但是μ子的壽命很短，當(dāng)它從宇宙中飛來，我們可以根據(jù)經(jīng)典理論算出每秒到達地球的μ子的個數(shù)，再去對比我們真正觀察到的 μ 子的個數(shù)，發(fā)現(xiàn)觀察到的個數(shù)比利用經(jīng)典理論計算得到的個數(shù)多。 當(dāng)經(jīng)典理論無法解釋這個問題時，就讓我們一起換一個角度，用狹義相對論的時空觀來看一下這個問題吧。 已知 μ 子低速運動時的平均壽命是3.0微秒，當(dāng) μ 子以0.99c的速度飛行時， 若選擇以 μ 子為參考系， 它的平均壽命是多少？ 以 μ 子為參考系，它的平均壽命就是3.0微秒。 對于地面的觀察者來說，平均壽命又是多少呢？ 對于地面的觀察者來說， μ 子以0.99c的速度飛行，根據(jù)相對論效應(yīng)可以算出， μ 子的平均壽命增加到了21微秒。它的壽命變長了，能夠到達地球的 μ 子數(shù)自然就增加了。 經(jīng)典理論無法解釋的問題，用相對論時空觀就得到了很好的解釋，這一研究成果就成了相對論時空觀的最早證據(jù)。 相對論時空觀的第一次宏觀驗證是在1971年進行的。科學(xué)家們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上作環(huán)球飛行，一架向東飛，另一架向西飛。兩架飛機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行比較。實驗結(jié)果與相對論的理論預(yù)言符合得很好。 任務(wù)六：狹義相對論的一些應(yīng)用（學(xué)習(xí)資源可自行觀看） 在相對論被提出的這一百多年中，科學(xué)家們在很多領(lǐng)域得到的實驗數(shù)據(jù)都很好與相對論的預(yù)測符合，同時也在很多領(lǐng)域有了應(yīng)用。比如我們的衛(wèi)星導(dǎo)航，為了得到精確的導(dǎo)航，就需要利用相對論原理進行時間的修正。 老師在學(xué)習(xí)任務(wù)單上羅列了一些推薦的學(xué)習(xí)資源，大家可以在課后自行觀看。 任務(wù)七：牛頓力學(xué)的局限性 通過前面的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)知道，物體在以接近光速運動時所遵從的規(guī)律，有些是與牛頓力學(xué)的結(jié)論并不相同的，所以牛頓力學(xué)是有局限性的。 除此之外，牛頓力學(xué)在其他方面是否也有局限性呢？ 請大家自行閱讀教材第68頁，牛頓力學(xué)的成就與局限性來尋找一下答案。 通過教材的閱讀，我們可以總結(jié)出，牛頓力學(xué)只適用于低速、宏觀物體的運動。微觀粒子的運動規(guī)律則需要用量子力學(xué)來說明。 那么，這是不是意味著我們要摒棄牛頓力學(xué)呢？ 大家一定也在教材中尋找到了答案。 當(dāng)物體的運動速度遠小于光速時，相對論效應(yīng)就微弱到可以忽略不計，相對論物理學(xué)與牛頓力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別；而當(dāng)量子力學(xué)中的重要參數(shù)普朗克常量可以忽略不計時，量子力學(xué)和牛頓力學(xué)的結(jié)論也沒有區(qū)別。 所以，基于實驗檢驗的牛頓力學(xué)并沒有被相對論與量子力學(xué)所否定，它只是有自己的局限性，是相對論與量子力學(xué)在宏觀、低速條件下的特殊情形。

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