《相对论时空观与牛顿力学的局限性 第1课时》教学设计【人教版高中物理必修2(新课标)】

5 相对论时空观与牛顿力学的局限性

教学目标

1. 了解狭义相对论的两条基本假设，了解狭义相对论和广义相对论提出的历史背景。

2. 了解尺缩钟慢效应，经历分别以地面为参考系和以μ子为参考系计算μ子寿命的过程。

3. 知道牛顿力学的适用条件和局限性。

教学重难点

教学重点

狭义相对论的两条基本假设、尺缩钟慢效应、牛顿力学的局限性

教学难点

狭义相对论的基本假设、应用洛伦兹变换分析相关问题

教学准备

多媒体课件

教学过程

新课引入

教师活动：展示时钟塔的图片。

教师活动：我们之所以能看到物体，是因为有光进入了我们的眼睛。设想，你以乘坐电车以光速远离时钟塔，你看到的时钟塔时钟的指针应该是怎样的？实际上时钟塔的指针应该是怎样的？

讲授新课

一、相对论时空观

教师活动：讲解狭义相对论提出的历史背景。

19 世纪，英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了电磁波的存在，并证明电磁波的传播速度等于光速c。人们自然要问：这个速度是相对哪个参考系而言的？一些物理学家对这个问题进行了研究。在实验研究中，1887年的迈克耳孙—莫雷实验以及其他一些实验表明：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。

在牛顿力学理论与电磁波理论的矛盾与冲突面前，一些物理学家仍坚持原有理论的基础观念，进行一些修补的工作，而爱因斯坦、庞加莱等人则主张彻底放弃某些与实验和观测不符的观念，如绝对时间的概念，提出能够更好地解释实验事实的假设。

教师活动：讲解狭义相对论的两条基本假设。

狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，物理规律都可以表示为相同的形式。 光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。

教师活动：讲解同时的相对性。

在经典力学中，时间是绝对的，时间均匀流逝的。两者之间是独立的。

在经典力学的，两个事件在某一参考系中同时发生，那么在其他任意的参考系中这两个事件也是同时发生的。

在相对论中，时间和空间是不可分割的。时间和空间都是相对的，两个事件是否同时发生也是相对的。

假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶。车厢中央的光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁。车上的观察者以车厢为参考系，因为车厢是个惯性系，光向前、后传播的速率相同，光源又在车厢的中央，闪光当然会同时到达前后两壁。

对于车下的观察者来说，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。他观测到的结果应该是：闪光先到达后壁，后到达前壁。因此，这两个事件不是同时发生的。

教师活动：讲解尺缩钟慢效应。

如果相对于地面以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 ，那么两者之间的关系是

t ∆= (1)

由于v Δτ，此种情况称为时间延缓效应。

如果与杆相对静止的人测得杆长是l 0，沿着杆的方向，以v

相对杆运动的人测得杆长是

l，那么两者之间的关系是

l l=(2)

由于vl0，此种情况称为长度收缩效应。

教师活动：分别以地面和μ子为参考系分析μ子的寿命问题。

已知μ子低速运动的平均寿命为3.0 μs。有文献报道从1981 m的高山上测得563个μ子，μ子下降的速率为0.99c，在海平面几乎全部测到这些μ子。

μ子在其寿命期间下降的高度为h=3.0 μs×0.99c=891 m。即在海平面应该探测不到这些μ子，为什么会出现这种现象？

μ子的速度可以与光速相比，这时再用经典力学来讨论这个问题就不合适了。应该相对论来解决这个问题。

以μ子为参考系，其下降的高度为

m

h=

在此时间内μ子可以下降的高度为

0.996316m1981m

h cτ

==>

即μ子在其寿命期内可以下降到海平面上。

教师设问：请同学以地面为参考系分析μ子的寿命问题。

学生活动：思考并计算教师所提问题。

师生活动：教师让一个学生发表自己的见解，然后作相应评论。以地面为参考系，μ子的寿命为

21.3μs

τ=

在此时间内μ子可以下降的高度为

0.996316m1981m

h cτ

==>

即μ子在其寿命期间内可以下降到海平面。

二、牛顿力学的成就与局限性

教师活动：引导学生讨论思考牛顿力学的成就。

学生活动：学生之间讨论老师所提问题，然后举手回答。

教师活动：讲解牛顿力学的局限性。

对于接近光速的运动，牛顿力学是不适合的，这时应用相对论来解决。

对于微观物理，牛顿力学也是不适合的，这时应用量子力学来解决。

教师活动：讲解牛顿力学与相对论之间的关系。

虽然今天我们谈到了牛顿力学的局限性，但对于宏观低速的物体来讲，牛顿力学仍然是非常准确的。相对论包容了牛顿力学，不是牛顿力学的取代，当物体的速度与光速相比可以忽略时，相对论自然地过渡到了牛顿力学。

教师活动：简单谈一下广义相对论、量子力学，并表达出真理是相对的这一哲学观点。典题剖析

例 1 假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是( )

A．这个人是一个矮胖子

B．这个人是一个瘦高个子

C．这个人矮但不胖

D．这个人瘦但不高

答案：D

根据长度的相对性，相对运动方向长度减小，垂直于运动方向上的长度不变，所以这个人瘦但不高，D正确。

例2 (多选)关于经典力学、狭义相对论和量子力学，下列说法正确的是( )

A．狭义相对论和经典力学是相互对立、互不相容的两种理论

B．在物体高速运动时，物体的运动规律适用狭义相对论理论，在低速运动时，物体的运动适用牛顿运动定律

C．经典力学适用于宏观物体的运动，量子力学适用于微观粒子的运动

D．不论是宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的

答案：BC

解析：首先必须知道，经典力学解决低速宏观问题，高速问题应由狭义相对论解决，强引力场问题应由广义相对论解决，微观问题应由量子力学解决．相对论并没有否定经典力学，而是认为经典力学是相对论理论在一定条件下的特殊情况，故选项A、D错误，B、C正确。