高中物理 5.2经典时空观与相对论时空观 学案 粤教版必修2

1 5 2 5 2 经典时空观与相对论时空观经典时空观与相对论时空观 学习目标学习目标 知识与技能 知识与技能 1 了解伽利略相对性原理 知道时空观与参考系的联系 2 了解经典时空观及其基本推论 知道牛顿引入绝对时空观的原因 3 了解狭义相对论的理论基础与狭义相对论时空观的几个推论 知道相对论时空观对 人们认识世界的影响 4 知道经典时空观与相对论时空观的主要区别 过程与方法 过程与方法 1 通过关于参考系和运动的 讨论与交流 认识惯性系的概念与伽利略相对性原 理 2 解读并分析教材图 5 2 1 和图 5 2 2 了解绝对时空观与实验事实的矛盾 3 通过了解爱因斯坦创立狭义相对论的过程 学习创立科学理论的基本方法 提出假设 4 解读并分析教材图 5 2 3 和图 5 2 4 通过 讨论与交流 理解同时的相对性 5 对比经典时空观的推论与相对论时空观的推论 认识经典时空观与相对论时空观 的区别 情感 态度与价值观 情感 态度与价值观 1 通过 讨论与交流 活动 培养学生的独立思考能力 逻辑分析能力 口头表达 的能力和合作学习的精神 2 通过了解时空观的变革 从中认识物理学的发展和变革 体会相对论对人类认识世 界的影响 感受物理学的发展对推动社会的作用 学习重点学习重点 1 知道狭义相对论的实验基础 基本原理和主要结论 2 了解经典时空观与相对论时空观的主要区别 知识要点知识要点 1 经典时空观 从参考系的概念引入经典时空观 是为了介绍牛顿引入经典时空观的理论出发点 使 学生领会经典时空观是经典力学的理论基础 1 经典力学是讨论物体的运动状态及其改变的 而所有的运动都是在一定的时间 空 间中进行的 机械运动是物体的位置移动 位置涉及空间概念 移动涉及速度 涉及时间 概念 所以牛顿力学必定与一定的时空观相联系 2 机械运动的描述离不开参考系 然而牛顿定律并不适用于所有的参考系 后人把牛 顿定律适用的参考系叫做惯性参考系 但是经典力学的理论框架本身并不能能明确给出什 么是惯性参考系 牛顿的解决办法是引入一个客观标准 绝对空间 用以判断各物体足 处于静止 匀速运动还是加速运动状态 参见课程资源 牛顿对绝对空间的设想 2 相对论时空观 相对论时空观的教学可分三个层次 狭义相对论的提出 相对论时空观 相对论对人 类认识世界的影响 1 运动的时钟变慢 其实质是指在相对论中每位观察者都有自身的时间测度 即如 果一时钟在天空高速飞驰 对静止不动的观察者来说似乎钟的时间走得慢了 时钟飞驰得 2 越快 钟的时间走得越慢 在与光速相等的时候 钟将似乎完全停止 时间就会停顿 了 这种效应得到了实验的验证 2 运 动的尺子缩短 在对教材图 5 2 6 解释时 应注意指出左图中 A 尺相对于 B 尺静止 右图中 A 尺相对于 B 尺运动 在 B 尺看来 A 尺长度缩短 尺缩和钟慢一样 是对 称的 即如果 A B 之间有相对运动 那么 A 看 B 的尺缩短了 B 看 A 的尺缩短了 这个 结论表示空间的大小并不是绝对的 而是相对的 3 物体质量随速度的增加而增大 爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对 论力学 指出质量随着速度的增加而增加 当速度接近光速时 质量趋于无穷大 他给出 了著名的质能关系式 E mc 质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用 典型例题典型例题 例 根据相对论理论 如果地球上的时钟走过了时间t 那么 以速度v相对地球 运动的飞船上的时钟走过的时间t 则为 t t 2 2 1 c v c是光在真空中的传播速度 5 2 通俗地说 就是运动的时钟变慢了 设想飞船在甲乙两个相距 8 亿千米的星球间飞行 甲 乙两星球及飞船上各有一个巨 大的钟 现飞船相对星球以 0 75c c是真空中光速 的速度离开甲星球飞向乙星球 飞船经 过甲星球时 三个钟均调整指到 3 00 整 问 当飞船飞过乙星球的瞬间 飞船内的人看 到乙星球上的钟和飞船上的钟分别指向多少 解析 在乙星球的观察者看来 飞船飞越的时间为 t 8 11 100 375 0 108 s 3600 s 1 h 所以 飞船内的人看到乙星球上的时钟指到 4 00 整 在飞船内的观察者看来 飞船飞越的时间t 则为 t t 2 2 1 c v 1 2 75 0 1 h 0 66 h 40 min 所以 飞船内的人看到飞船上的钟指到 3 40 如果飞船上的人测量两星球间的距离 将是 L L0 2 2 1 c v 8 1011 2 75 0 1 m 5 3 1011 m 当堂反馈当堂反馈 1 广州的一个人在收听到收音机报时 刚才最后一响是北京时间 7 00 整 的时候 他在最后一响时 把表对到 7 00 整 北京的钟和广州的钟是一致的吗 怎样才能使它们 一致 2 一列火车以速度v匀速行驶 车头 车尾各有一盏灯 某时刻路基上的人看见两灯 同时亮了 那么从车厢顶上看见的情况是什么呢 3 3 介子是一不稳定粒子 平均寿命是 2 6 10 8s 在它自己的参考系中测得 如 果此粒子相对于实验室以 0 8c的速度运动 那么实验室坐标系中测量的 介子寿命是否 变长 4 狭义相对论认为长度是 运动物体沿运动方向长度要 5 一列行进中的火车 前 后两处遭雷击 车上的人看来是同时发生的 地面上的人看来 同时的 这是由于同时的 6 经典力学在哪些问题上适用 河波罗飞船登月 原子核外电子的运动 原子弹爆炸 F1 赛车 A B C D 7 下列哪些是属于经典时空观的内容 同一个物体在任何参考系中测量具有相同的长度 光速是自然界中的极限速度 任何事物的速度不能超过光速 任何事件所经历的时间 在不同的参考系中测量都是相同的 同时是相对的 A B C D 8 从狭义相对论出发 我们可以得到下列哪些结论 同时的绝对性 运动的时钟变慢 事件的因果关系可能颠倒 物体质量随速度增大而增大 A B C D 9 氢原子光谱不是连续谱 而是一系列不连续的亮线组成的线状谱 这说明的是 A 光的波粒二象性 B 能量的连续性 C 原子只能处于一系列不连续的能量状态中 D 绝对时