7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性-教学设计--高一下学期物理人教版（2019）必修第二册.docx

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1、课题：相对论时空观与牛顿力学的局限性教学设计部别： 高中 年级： 高一 班级： 组别： 物理 教师： 日期：202 年 月 日 第 节 一、课标要求与解读【课标要求】（1）通过阅读课文体会一切科学都有自己的局限性,新的理论会不断完善和补充旧的理论,人类对科学的认识是无止境的.（2）通过对牛顿力学适用范围的讨论,使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围,认识知识的变化性和无穷性,培养献身于科学的时代精神。【课标解读】1.能区别分清牛顿力学时空观和相对论时空观.能够用时间延缓效应和长度收缩效应分析解决生活中的物理问题.2.了解牛顿力学在科学研究和生产技术中的广泛应用;了解牛顿力学的局限性.3

2、.通过对牛顿力学适用范围的讨论,使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围,认识知识的变化性和无穷性,培养献身于科学的时代精神。二、教学内容与分析【教材分析】牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域,包括天体力学的研究中,经受了实践的检验,取得了巨大的成就.但是,像一切科学一样,牛顿力学也有自己的局限性.当物体的运动速度远小于真空中的光速时,牛顿力学完全适用.20世纪初,著名物理学家爱因斯坦建立了狭义相对论.狭义相对论阐述物体在以接近光的速度运动时所遵从的规律,它得出了一些不同于牛顿力学的观念和结论.牛顿力学不适用于高速运动问题,并且牛顿力学对微观粒子的运动也束手无策.量子

3、力学能够正确描述微观粒子运动的规律性,并在现代科技中发挥了重要作用.牛顿力学的适用范围:低速、宏观物体的运动;量子力学的研究对象:高速、微观物体的运动。【学情分析】 本节主要学习相对论时空观与牛顿力学的成就与局限性.这两个方面的具体内容都不要求学生掌握,但是学过本节之后,学生会知道尽管前面已经体会到了万有引力的辉煌成就,但它没有穷尽一切真理,在新的领域还有新的规律等待我们去发现.从相对论时空观中,教材提到牛顿力学的相对运动问题,建议在此之前做一定的补充讲解.“科学漫步”中的“宇宙的起源与演化”和“恒星的演化”是为了激励学生对未来的探索,它的目的同样在于情感态度与价值观的教育功能。三、核心素养物

4、理观念：了解相对论-量子论的建立对人类深入认识客观世界的作用，知道物理学改变人们世界观的作用。科学思维：经历科学家建立相对论和量子论的思维探索过程，认识科学思维的意义。科学探究：通过阅读课文体会一切科学都有自己的局限性，新的理论会不断完善和补充旧的理论，人类对科学的认识是无止境的。科学态度与责任：通过对牛顿力学适用范围的讨论，使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围，认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神。四、教学重点与难点【教学重点】相对论时空观和牛顿力学时空观的区别。【教学难点】时间延缓效应和长度收缩效应的理解和应用。五、教学方法创设情景、讲授法、讨论法六、教学准备PPT

5、课件七、课时安排2个课时八、教学过程教学环节师生活动新课导入(一)新课导入创设情境,引发思考,导入新课问题导入 教师:假如你驾驶一辆时速为100 km/h的越野车,一位乘客以相对你10 km/h的速度用弹弓射击前面的岩石,那么弹珠的实际速度就应该是多少?学生:110 km/h.教师:如果打开前车灯,按照常识,光速是1.079 145109 km/h,加上车的运动速度,光的实际速度应该大于1.079 145109 km/h,还是小于、等于1.079 145109 km/h?学生:大于.教师:可在实际测量时,光速还是1.079 145109 km/h,为什么同样的参考系光和实际物体得到的结果不同呢

6、?今天我们学了本节内容后,你便知道其原因了教师精讲1.相对论时空观教师:请同学们阅读教材,找一下什么是牛顿力学时空观?学生:生活经验让我们体会到,时间像一条看不见的长河,均匀地自行流逝着,空间像一间广阔无边的房间,它们都不影响物体及其运动.也就是说,时间和空间都是独立于物体及其运动而存在的.这种绝对时空观,也叫牛顿力学时空观.教师:阅读教材第65页“相对论时空观”中的第一二自然段,思考牛顿力学在对待以光速传播的电磁波时产生了什么矛盾?物理学家们是怎么面对的?学生1:1887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

7、换关系不符.* 学生2:在牛顿力学理论与电磁波理论的矛盾与冲突面前,一些科学家主张修补牛顿的理论,而爱因斯坦、庞加莱等人主张放弃某些与实验和观测不符的观念,提出能够更好地解释实验事实的假设.教师:针对这些矛盾和冲突,爱因斯坦做出了什么样的两种假设?学生1:在不同的惯性参考系中,物理规律的形式都是相同的;真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的.学生2: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亮光,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,

8、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:在爱因斯坦两个假设的基础上,经过严格的数学推导,得到了什么结果?学生1:时间测量(间隔)的相对性时间延缓效应:若在一惯性系内同一地点,先后发生两事件时间间隔(称原时或固有时),在以相对速率v运动的另一惯性系内测得时间间隔为t,则有:t=.学生2:空间测量的相对性长度收缩效应:当杆沿两个惯性系相对运动方向放置,在相对杆静止的惯性系内测得杆的长度为l0(称原长或固有长度),在相

9、对杆以v运动的惯性系里测得杆的长度为l,则有:l=l0教师:什么是相对论时空观?学生:运动物体的长度(空间距离)和物理过程的快慢(时间进程)都跟物体的运动状态有关.这个结论具有革命性的意义,它所反映的时空观称作相对论时空观.教师:人类对这种理论是怎么验证的?学生1:对子的研究.学生2:1971年两架喷气式飞机载着铯原子钟进行的环球飞行.教师:实验结论如何?学生:实验结果与相对论时空观的理论预言符合的很好.案例分析一 阅读教材“牛顿力学的成就与局限性”部分,并说明牛顿力学是适用于宏观物体还是微观物体.学生:19世纪末到20世纪初,人们相继发现了电子、质子、中子等微观粒子,发现它们不仅具有粒子性,

10、而且具有波动性,它们的运动规律不能用牛顿力学描述.20世纪20年代,量子力学建立了,它能够很好地描述微观粒子运动的规律,并在现代科学技术中发挥了重要作用.牛顿力学一般不适用于微观粒子.教师:相对论和量子力学的出现,是否表示牛顿力学失去了意义?学生:相对论和量子力学的出现,说明人类对自然界的认识更加广泛和深入,而不表示牛顿力学失去了意义.它只是使人们认识到牛顿力学有它的适用范围:只适用于低速运动,不适用于高速(接近光速)运动,只适用于宏观世界,不适用于微观世界.归纳总结(1)牛顿力学时空观:时间和空间都是独立于物体及其运动而存在的绝对时空观.(2)时间延缓效应:t=;长度收缩效应:l=l0.(3

11、)相对论时空观:运动物体的长度(空间距离)和物理过程的快慢(时间进程)都跟物体的运动状态有关.巩固练习 以下关于相对论的说法,正确的是(D)A.观察者与光源相向运动时,观测到的光速大于3108 m/sB.在不同的惯性系中测量同一物体,尺寸都相同C.对于同一个物理过程经历的时间,在任何惯性系中观测结果都相同D.当物体相对某一惯性系高速运动时,其质量的观测值与速度大小有关解析:根据爱因斯坦的假设,真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的,与光源和观察者的运动无关,故选项A错误;在不同的惯性系中测量同一物体的长度,测量值是不同的,故选项B错误;对于同一个物理过程经历的时间,在不同惯性系中观测结果是

12、不相同的,选项C错误;当物体相对某一惯性系高速运动时,其质量的观测值与速度大小有关,选项D正确.* 2.牛顿力学的成就与局限性教师:请同学考虑一下,什么是牛顿力学的基础?学生:牛顿运动定律.教师:请同学们区别一下什么是低速运动?什么是高速运动?学生:物体运动的速度远小于光速的运动,称为低速运动.有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近,这样的速度称为高速.教师:什么运动适用于牛顿力学?学生:牛顿力学中各种物体的运动,速度都远小于真空中的光速.处理这些运动,牛顿力学完全适用.教师:请同学们列举一些具体的事例.学生:通常所见的物体的运动皆为低速运动,如行驶的汽车,发射的导弹、人造卫星及宇宙飞

13、船等.教师:牛顿力学的局限性在哪儿?学生:牛顿力学不适用于高速运动的物体,也不适用于微观世界.教师:人类为解释物体高速运动建立了相对论,为描述微观粒子运动而建立了量子力学,请思考一下这两种新学说对牛顿力学是一种否定吗?学生:相对论和量子力学都没有否定过去的科学,而只认为过去的科学是两者在一定条件下的特殊情形.案例分析二 如图为设在美国伊利诺伊州费米实验室的圆形粒子加速器(或称同步回旋加速器),电子经加速器加速后,能量可达到100 GeV,电子速度达到0.999 999 999 987倍的光速.这时牛顿力学的规律还适用吗?学生自己先独立思考后分小组交流讨论得出答案.回答:牛顿力学在低速运动的广阔

14、领域(包括天体力学的研究)中,经受了实践的检验,取得了巨大的成就,但在高速领域不再适用.教师点评:要比较牛顿力学和相对论的区别,关键不但要知道各自的适用范围,还要区分开两个速度:速度远小于真空中光速的,称为低速;速度接近于真空中光速的,称为高速.归纳总结(1)牛顿力学适用于低速运动的物体,不适用于高速(接近光速)运动的物体,相对论阐述物体在以接近光的速度运动时所遵从的规律.(2)牛顿力学适用于宏观世界,一般不适用于微观粒子,而量子力学则能够正确描述微观粒子的运动规律.(3)相对论和量子力学并没有否定牛顿力学,牛顿力学是二者在一定条件下的特殊情形.巩固练习 (多选)以下说法正确的是(BC)A.牛

15、顿力学理论普遍适用,大到天体,小到微观粒子均适用B.牛顿力学理论具有一定的局限性C.在牛顿力学中,物体的质量不随运动状态改变而改变D.相对论和量子力学否定了牛顿力学理论解析:牛顿力学理论具有一定的局限性,它只适用于低速、宏观物体的运动,选项A错误,B正确;在牛顿力学中,物体的质量不随运动状态的改变而改变,即物体的质量和物体运动的速度无关,选项C正确;相对论和量子力学并没有否定过去的科学,而是认为牛顿力学理论是两者在一定条件下的特殊情形,选项D错误课堂检测1经典力学只适用于“宏观世界”，这里的“宏观世界”是指()A行星、恒星、星系等巨大的物质领域B地球表面上的物质世界C人眼能看到的物质世界D不涉

16、及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界答案:D2下列说法正确的是()A经典力学能够说明微观粒子的规律性；B经典力学适用于宏观物体的低速运动问题，不适用于高速运动的物体；C相对论与量子力学的出现，说明经典力学已失去意义；D对于宏观物体的高速运动问题，经典力学仍适用。答案:B3、牛顿定律不适用于下列哪些情况()A研究原子中电子的运动B研究“嫦娥三号”的高速发射C研究地球绕太阳的运动D研究飞机从北京飞往纽约的航线答案：A拓展提高1、关于经典力学、狭义相对论和量子力学，下列说法中正确的是()A狭义相对论和经典力学是相互对立的、互不相容的两种理论；B在物体高速运动时，物体的运动规律遵循狭义相对论，在低速

17、运动时，物体的运动遵循牛顿运动定律；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： BC2、通过一个加速装置对电子加一很大的恒力，使电子从静止开始加速，则对这个加速过程，下列描述正确 的是()A根据牛顿第二定律，电子将不断做匀加速直线运动B电子先做加速运动，后以光速做匀速直线运动C电子开始先近似于匀加速运动，后来质量增大，牛顿运动定律不再适用D电子是微观粒子，整个加速过程根本就不能用牛顿运动定律解释答案： C3、下面说法中正确的是()A当物体运动速度远小于光速时，相对论物理学和经典物理学的结论没有区别；B当物体

18、运动速度接近光速时，相对论物理学和经典物理学的结论没有区别；C当普朗克常量h(6.631034 Js)可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别；D当普朗克常量h(6.631034 Js)不能忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别。答案：A C知识小结1、爱因斯坦的两个假设相对性原理：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；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。2、时间延缓效应3、长度收缩效应4、经典力学只适用于解决低速运动问题，不能用来处理高速运动问题，经典力学只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子：经典力学只适用于解决弱引力问题，不能用来处理强引力问题。九、板书设计一、牛顿力学时空观时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的。这种绝对时空观，也叫牛顿力学时空观。二、相对论时空观1、爱因斯坦的两个假设（1）相对性原理（2）光速不变原理2相对论时空观的内容认为时间和空间是相互联系相互影响的，并且与物质的存在及运动有关。3、时间延缓效应：4、长度收缩效应：5、质量增加效应：二、牛顿力学的成就与局限性经典力学规律只能用于宏观、低速（与光速相比）的情形，且只在惯性参考系中成立。十、教学反思学科网（北京）股份有限公司