資源簡介

教學設計
課程基本信息
課題 相對論時空觀與牛頓力學的局限性
教學目標
1. 知道以牛頓運動定律為基礎的經典力學的適用范圍。 2.知道相對論效應、時間空間相對性。 物理觀念:了解相對論-量子論的建立對人類深入認識客觀世界的作用，知道物理學改變人們世界觀的作用。 科學思維:經歷科學家建立相對論的思維探索過程，認識科學思維的意義。 科學探究:通過閱讀課文體會一切科學都有自己的局限性，新的理論會不斷完善和補充舊的理論，人類對科學的認識是無止境的。 科學態(tài)度與責任:通過對牛頓力學適用范圍的討論，使學生知道物理中的結論和規(guī)律一般都有其適用范圍，認識知識的變化性和無窮性，培養(yǎng)獻身于科學的時代精神。
教學內容
教學重點： 了解經典力學的局限性。
教學難點： 了解相對論、量子力學與經典力學的關系。
教學過程
教師活動 設計意圖
牛頓力學時空觀時 同學們在學習過程中會體會到在經典力學中，牛頓力學時空觀里，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動。所以不管選什么參考系，不管物體怎么運動，物體的時間、長度、質量等等的測量結果肯定是一樣。 時間與空間都是獨立于物體及其運動而存在的。這種絕對時空觀，也叫牛頓力學時空觀。 思考：若河中的水以相對于岸速度 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 這個公式本質上是參考系的變換。 伽利略變換，是牛頓經典力學研究相對運動問題的基本法則。 思考：設想人類可以利用飛船以0.2c的速度進行星際航行。若飛船向正前方的某一星球發(fā)射束激光，該星球上的觀察者測量到的激光的速度是否為1.2c。 根據(jù)公式 地球上測量的激光的速度應為1.2c。 提問：真的是這樣嗎？ 隨著物理學的進一步發(fā)展，讓科學家對上面的1.2c產生了質疑，首先是十九世紀，英國科學家麥克斯韋，提出了電磁場理論，預言了電磁波的存在，并從理論上證明了，電磁波傳播的速度等于光速，而且似乎這個速度無需參考系，是個常數(shù)。 配圖（麥克斯韋） 后來的光速測量實驗更是讓無數(shù)物理學家困惑。 配圖（邁克爾遜） 1887年的邁克爾遜-莫雷實驗。這個實驗中，他們二人想測量由于地球公轉引起的公轉切線方向和垂直黃道面方向的光速差異，最后竟然發(fā)現(xiàn)兩個方向上的光速沒有區(qū)別，這就證明了在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的！ 講解：從上面可以看到，不存在1.2c的光速，光速相對于任何參考系都是c。 經典力學的基礎，伽利略變換失效了。 開爾文：“物理學大廈上空的烏云” 提問：是堅持牛頓力學還是尊重事實？ 以愛因斯坦和龐加萊為代表的另一批物理學家，堅決主張，徹底放棄某些與實驗事實不相符的觀念，如絕對時間的觀念。 愛因斯坦在實驗事實的基礎上，大膽提出兩個假設。 相對論時空觀 （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。（舉例解釋） （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。（強調記憶） 思考討論:在經典物理學中，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，還是這樣嗎 例如:假設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，閃光到達前后兩壁的時間相同嗎 （2）車下的觀察者來說，以地面為參考系,閃光到達前后兩壁的時間相同嗎？ 分析： 如圖所示: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，閃光當然會同時到達前后兩壁。 （2）如圖，根據(jù)愛因斯坦的假設: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，車廂向前行進了一段距離，所以向前的光傳播的路程長些，閃光先到達后壁，后到達前壁因此，這兩個事件不是同時發(fā)生的。 區(qū)別于牛頓力學時空觀，運動的物體，不同參考系中，“同時”是相對的。運動對時間產生了影響。 時間延緩效應 小于1，所以t0總是大于t。同一過程，地面上的人用時長。 這種現(xiàn)象叫時間延緩效應。 長度收縮效應 如果以地面為參考系的人測量桿長為l，火車上相對桿靜止的人測得桿時l0 由于 小于1，所以沿著火車前進的方向總有l(wèi)小于l0。此種情況稱之為長度收縮效應。 上面兩個公式表明，運動物體的長度（空間距離）和物理過程的快慢（時間進程）都跟物體的運動狀態(tài)有關，這個結論具有革命性意義，被稱為相對論時空觀。 提問：兩個效應如何驗證呢？ 宇宙射線與大氣中的分子發(fā)生碰撞，可以在離海平面大約8公里高處產生接近光速的高能μ子，由于μ子是一種不穩(wěn)定的粒子，實驗室測得其靜止時平均壽命只有3微秒。 由牛頓力學時空觀得： 結論：幾乎沒有μ子可以到達地面。 事實：在地面上可以觀測到大量的μ子。 提問：如何解釋？ 由相對論時空延緩效應得： μ子靜止時平均壽命是3.0μs，假設高空中μ子以0.99c的速度飛行。 若選μ子為參考系，μ子的平均壽命為t1=3.0μs； 由時間延長效應可得： 若以地面為參考系，μ子的平均壽命為t2 地面觀察者的前進距離是地面觀察者的前進距離是 由于是平均壽命，大約有一半的高空μ子可以到達地面。 這里我們看到牛頓力學失效了，隨著高能，高速，微觀物理學的發(fā)展，有很多牛頓力學解釋不了的現(xiàn)象，那么牛頓力學是否還有價值？ 答案是肯定的！ 從三大定律的建立，到把天上和地面物體的力統(tǒng)一起來，從海王星，冥王星的發(fā)現(xiàn)，到現(xiàn)在的宇宙探測，導彈發(fā)射。身邊的機械工程，建筑設計都離不開牛頓力學。他是人類歷史上最輝煌的成就，是人類科技史上的豐碑。 牛頓力學也有很多解釋不了的現(xiàn)象。 他的適用條件是什么？ 當物體運動速度v遠小于c時， 趨近于1。此時t0=t，l=l0，與牛頓經典力學的時空觀一致。 原來牛頓的經典力學是相對論在遠小于光速情況下的特例。 我們可以總結到： 適用于速度遠小于光速c，接近光速時用相對論。 適用于h可以忽略不計時，微觀尺度用量子力學。 萬有引力定律取得了輝煌成就，但是真理是相對的，沒有理論可以窮盡一切真理。 相對論是不是就是最終的理論呢？它會不會是更高維度時間空間的特殊情況呢？這都值得我們去探索。 引入時強調時間空間的獨立性，不被運動影響。 復習伽利略變換，強調其為牛頓力學的基礎，為矛盾引入做準備 體驗相對運動，引起認識沖突 介紹邁克爾遜—莫雷實驗的設計思路和實驗結果，用經典實驗震撼學生的心理，形成認知落差，體驗科學家的研究工作，落實科學本質與責任素養(yǎng)教學。 根據(jù)科學發(fā)展背景等“文獻”前述介紹，引導學生建立相對論兩條假設。 創(chuàng)設理想實驗情景，邏輯演繹同時相對性、時間延緩效應和長度收縮效應 創(chuàng)設理想實驗情景，通過動畫輔助，并推導相關結論。 介紹宇宙粒子入侵地球事實，引導學生計算討論粒子壽命問題。 打破經典時空觀束縛，切換思維 認識牛頓物理與相對論物理之間的關系 人類的認識進步永不停歇，理論被不斷完善， 小結

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