人教版高中物理必修第二冊：必修第二冊：第7章第5節(jié)《相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性律》教學(xué)設(shè)計

1、人教版高中物理必修2教學(xué)設(shè)計課題 相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性單元7學(xué)科物理年級高一教材分析本節(jié)課所采用的教材是人教版高中物理必修2第七章第5節(jié)的內(nèi)容。本節(jié)內(nèi)容是學(xué)習(xí)完經(jīng)典力學(xué)以后所做的介紹性質(zhì)內(nèi)容，它可以拓展學(xué)生的知識面、展示科學(xué)探究的無限可能，建立科學(xué)思想、科學(xué)的思維方法，培養(yǎng)科學(xué)精神，在情感、態(tài)度 與價值觀方面發(fā)揮應(yīng)有的教育功能。本節(jié)教材先介紹相對論時空觀, 并給出了時間延緩效應(yīng), 長度收縮效應(yīng).然后講解了牛頓力學(xué)的成就與局限性,讓學(xué)生體會任何學(xué)科都有局限性，并不是牛頓力學(xué)過時了，要理解各自成立的條件。教學(xué)目標(biāo)與核心素養(yǎng)一、教學(xué)目標(biāo)1知道以牛頓運動定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)的適用范圍2知道相

2、對論、量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系（三）情感、態(tài)度與價值觀通過對牛頓力學(xué)適用范圍的討論，使學(xué)生知道物理中的結(jié)論和規(guī)律一般都有其適用范圍，認(rèn)識知識的變化性和無窮性，培養(yǎng)獻(xiàn)身于科學(xué)的時代精神二、核心素養(yǎng)物理觀念：了解相對論-量子論的建立對人類深入認(rèn)識客觀世界的作用，知道物理學(xué)改變?nèi)藗兪澜缬^的作用?？茖W(xué)思維：經(jīng)歷科學(xué)家建立相對論和量子論的思維探索過程，認(rèn)識科學(xué)思維的意義科學(xué)探究：通過閱讀課文體會一切科學(xué)都有自己的局限性，新的理論會不斷完善和補(bǔ)充舊的理論，人類對科學(xué)的認(rèn)識是無止境的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過對牛頓力學(xué)適用范圍的討論，使學(xué)生知道物理中的結(jié)論和規(guī)律一般都有其適用范圍，認(rèn)識知識的變化性和無窮性，培養(yǎng)獻(xiàn)

3、身于科學(xué)的時代精神重點了解經(jīng)典力學(xué)的局限性難點了解相對論、量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系教學(xué)過程教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動學(xué)生活動設(shè)計意圖導(dǎo)入新課經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運動定律，萬有引力定律更是樹立了人們對牛頓物理學(xué)的尊敬。通過前面的學(xué)習(xí)，我們知道從天體的運動到地面上的各種物體的運動，從大氣的流動到地殼的變動，所有這些都服從經(jīng)典力學(xué)規(guī)律。那么，是不是任何情境下都遵從經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律呢？學(xué)生回顧已學(xué)知識并思考 通過問題引發(fā)學(xué)生的思考從而引起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣講授新課一、牛頓力學(xué)時空觀1、牛頓力學(xué)時空觀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(xué)時空觀。在牛頓力學(xué)時空觀里，時間像一條看不見的“長

4、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(zhì)量等等的測量結(jié)果肯定是一樣的。思考1：若河中的水以相對于岸的速度 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水岸思考2：設(shè)想人類可以利用飛船以 0.2c 的速度進(jìn)行星際航行。若飛船向正前方的某一星球發(fā)射一束激光，該星球上的觀察者測量到的激光的速度是否為1.2c？出示圖片:飛船向正前方的某一星球發(fā)射一束激光問題的答案似乎應(yīng)為 1.2c，然而，事實并非如此！因為經(jīng)典力學(xué)不再適用。經(jīng)典力學(xué)只適用于解

5、決低速運動問題，不能用來處理高速運動問題，要解決這一問題就需要用到相對論時空觀。二、相對論時空觀思考：19世紀(jì)，英國物理學(xué)家麥克斯韋根據(jù)電磁場理論預(yù)言了電磁波的存在，并證明電磁波的傳播速度等于光速c。這個速度是相對哪個參考系而言的？出示圖片:麥克斯韋英國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家出示圖片:邁克爾遜:波蘭裔美國藉物理學(xué)家。1887 年的邁克耳孫莫雷實驗以及其他一些實驗表明：在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的所以證明電磁波的傳播速度等于光速c，無論對于哪個參考系而言都是一樣的。1、愛因斯坦的兩個假設(shè)（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；表明在任何慣性系中研究某個物體的某一運

6、動過程，其運動規(guī)律形式不變。（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。表明了經(jīng)典時空觀與相對論時空觀的不同。2相對論時空觀的內(nèi)容認(rèn)為時間和空間是相互聯(lián)系、相互影響的，并且與物質(zhì)的存在及運動有關(guān)。思考討論：在經(jīng)典物理學(xué)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(shè)，結(jié)論還是這樣嗎？根據(jù)愛因斯坦假設(shè)：真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的，兩個事件在一個參考系中是同時的，在另一個參考系中不一定也是同時的。例如：假設(shè)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。（

7、1）車上的觀察者以車廂為參考系，閃光到達(dá)前后兩壁的時間相同嗎？（1）車下的觀察者來說，以地面為參考系，閃光到達(dá)前后兩壁的時間相同嗎？ 甲 參考答案：（1）如圖甲所示：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(dāng)然會同時到達(dá)前后兩壁。根據(jù)愛因斯坦的假設(shè)：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(jìn)了一段距離，所以向前的光傳播的路程長些即：閃光先到達(dá)后壁，后到達(dá)前壁因此，這兩個事件不是同時發(fā)生的。3、時間延緩效應(yīng)如果相當(dāng)于地面以v運動的慣性參考系上的人觀察到與其一起運

8、動的物體完成某個動作的時間間隔為，地面上的人觀察到該物體在同一地點完成這個動作的時間間隔為t，則由于 1 ，此種情況稱為時間延緩效應(yīng)。4、長度收縮效應(yīng)如果與桿相對靜止的人測得桿長是 l0 ，沿著桿的方向，以 v 相對桿運動的人測得桿長是 l，那么兩者之間的關(guān)系是由于1 1，所以總有 l l0，此種情況稱為長度收縮效應(yīng)。（1）式和（2）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(jìn)程）都跟物體的運動狀態(tài)有關(guān)。這個結(jié)論具有革命性的意義，它所反映的時空觀稱作相對論時空觀。愛爾蘭物理學(xué)家佛茲杰拉德提出，物質(zhì)會在運動的方向上收縮（縮?。?，這意味著根據(jù)一個靜止觀察者的觀點，一枚以接近光線運行的

9、火箭所表現(xiàn)出的長度會比它靜止時更短，盡管乘坐火箭的人看來并沒有什么兩樣。愛因斯坦指出，任何物體以光速運動時，其長度將會縮短為零。思考與討論:已知子低速運動時的平均壽命是3.0 s。當(dāng)子以0.99 c的速度飛行，若選擇子為參考系，此時子的平均壽命是多少？對于地面上的觀測者來說，平均壽命又是多少？相對于光速而言，低速運動即可近似認(rèn)為速度為 0，即若選擇與 子一起運動的某一物體為參考系，此時 子的平均壽命是 3.0 s。對于地面上的觀測者來說狹義相對論認(rèn)為時間不是絕對的（即固定不變的）,愛因斯坦指出，隨著物體（觀察者所見到的）運動速度的加快，時間會變慢。思考：相對論時空觀的第一次宏觀驗證是在 197

10、1 年進(jìn)行的。當(dāng)時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(jī)上做環(huán)球飛行，一架向東飛，另一架向西飛。兩架飛機(jī)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(jìn)行比較。它們的時間有什么不同？根據(jù)狹義相對論，隨著物體（觀察者所見到的）運動速度的加快，時間會變慢。向東飛行時銫原子鐘的度數(shù)比地球上的銫原子鐘慢了這是因為向東飛行速度比地面上的大；而向西飛行的銫原子鐘比地球上的快了，這是因為向西飛飛機(jī)的速度和地球自轉(zhuǎn)相抵消，它們的速度比地面上的??；知識拓展1、狹義相對論按照狹義相對論而言，物體運動時質(zhì)量會隨著物體運動速度增大而增加(質(zhì)速關(guān)系)，同時，空間和時間也會隨著物體運動速度的

11、變化而變化，即會發(fā)生尺縮效應(yīng)和鐘慢效應(yīng)。質(zhì)速關(guān)系:m0是物體靜止時的質(zhì)量，m是物體速度為v時的質(zhì)量，c是真空中的光速.2、從弱引力到強(qiáng)引力按牛頓的萬有引力定律推算，行星應(yīng)該沿著一些橢圓做周期性運動，而天文觀測表明，行星的軌道并不是嚴(yán)格閉合的，它們的近日點在不斷地旋進(jìn)，如水星的運動，由經(jīng)典力學(xué)與行星軌道的矛盾說明了什么？參考答案：經(jīng)典力學(xué)只適用于弱引力場，而不適用于強(qiáng)引力場.二、牛頓力學(xué)的成就與局限性像一切科學(xué)一樣，牛頓力學(xué)沒有也不會窮盡一切真理，它也有自己的局限性。它像一切科學(xué)理論一樣，是一部“未完成的交響曲”。1、牛頓力學(xué)的成就（1）經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運動定律，牛頓運動定律和萬有引力定律在

12、宏觀、低速、弱引力的廣闊區(qū)域，包括天體力學(xué)的研究中，經(jīng)受了實踐的檢驗，取得了巨大的成就.（2）.牛頓運動三定律和萬有引力定律把天體的運動與地面上物體的運動統(tǒng)一起來，是人類對自然界認(rèn)識的第一次大綜合，是人類認(rèn)識史上的一次重大飛躍.牛頓力學(xué)在如此廣闊的領(lǐng)域里與實際相符合，顯示了牛頓運動定律的正確性和牛頓力學(xué)的魅力2、局限性（1）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。所以經(jīng)典力學(xué)只適用于物體的低速運動。（2）在微觀世界中，發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，而且發(fā)現(xiàn)它們不僅具有粒子性，同時還具有波動性，量子力學(xué)能很好地描述微觀粒子的運動規(guī)律。經(jīng)典力學(xué)不適用于微觀領(lǐng)域中物

13、質(zhì)結(jié)構(gòu)和能量不連續(xù)的現(xiàn)象（3）. 經(jīng)典力學(xué)規(guī)律只在慣性參考系中成立經(jīng)典力學(xué)規(guī)律只能用于宏觀、低速（與光速相比）的情形，且只在慣性參考系中成立。說明（1）基于實驗檢驗的牛頓力學(xué)不會被新的科學(xué)成就所否定，而是作為某些條件下的特殊情形，被包括在新的科學(xué)成就之中。（2）當(dāng)物體的運動速度遠(yuǎn)小于光速 c 時（c 3108 m/s），相對論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別；（3）當(dāng)另一個重要常數(shù)即普朗克常量 h 可以忽略不計時（h 6.6310 -34 Js），量子力學(xué)和牛頓力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別。（4）相對論與量子力學(xué)都沒有否定過去的科學(xué)，而只認(rèn)為過去的科學(xué)是自己在一定條件下的特殊情形。科學(xué)漫步 1. 宇宙的

14、起源與演化我們的宇宙是在約 138 億年以前從一個尺度極小的狀態(tài)發(fā)展演化來的。在這個過程中，宇宙的溫度從高到低，先是生成一些基本粒子形態(tài)的物質(zhì)，接著產(chǎn)生了原子、分子等各種物質(zhì)，物質(zhì)再進(jìn)一步聚集起來形成星系，成為我們今天看到的宇宙。出示圖片:普朗克探測器記錄下的微波天空2. 恒星的演化閱讀課文說一說恒星是如何誕生的？根據(jù)大爆炸宇宙學(xué)，大爆炸 10 萬年后，溫度下降到了 3 000 K 左右，出現(xiàn)了由中性原子構(gòu)成的宇宙塵埃。由于萬有引力的作用，形成了更密集的塵埃。塵埃像滾雪球一樣越滾越大，形成了氣體狀態(tài)的星云團(tuán)。星云團(tuán)的凝聚使得溫度升高，到一定程度星云團(tuán)就開始發(fā)光，于是，恒星誕生了。課堂練習(xí)1經(jīng)典

15、力學(xué)只適用于“宏觀世界”，這里的“宏觀世界”是指()A行星、恒星、星系等巨大的物質(zhì)領(lǐng)域B地球表面上的物質(zhì)世界C人眼能看到的物質(zhì)世界D不涉及分子、原子、電子等微觀粒子的物質(zhì)世界答案:D2下列說法正確的是()A經(jīng)典力學(xué)能夠說明微觀粒子的規(guī)律性；B經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀物體的低速運動問題，不適用于高速運動的物體；C相對論與量子力學(xué)的出現(xiàn)，說明經(jīng)典力學(xué)已失去意義；D對于宏觀物體的高速運動問題，經(jīng)典力學(xué)仍適用。答案:B3、牛頓定律不適用于下列哪些情況()A研究原子中電子的運動B研究“嫦娥三號”的高速發(fā)射C研究地球繞太陽的運動D研究飛機(jī)從北京飛往紐約的航線答案：A拓展提高1、關(guān)于經(jīng)典力學(xué)、狹義相對論和量子力學(xué)

16、，下列說法中正確的是()A狹義相對論和經(jīng)典力學(xué)是相互對立的、互不相容的兩種理論；B在物體高速運動時，物體的運動規(guī)律遵循狹義相對論，在低速運動時，物體的運動遵循牛頓運動定律；C經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀物體的運動，量子力學(xué)適用于微觀粒子的運動；D不論是宏觀物體，還是微觀粒子，經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)都是適用的。答案： BC2、通過一個加速裝置對電子加一很大的恒力，使電子從靜止開始加速，則對這個加速過程，下列描述正確 的是()A根據(jù)牛頓第二定律，電子將不斷做勻加速直線運動B電子先做加速運動，后以光速做勻速直線運動C電子開始先近似于勻加速運動，后來質(zhì)量增大，牛頓運動定律不再適用D電子是微觀粒子，整個加速過程根本就

17、不能用牛頓運動定律解釋答案： C3、下面說法中正確的是()A當(dāng)物體運動速度遠(yuǎn)小于光速時，相對論物理學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別；B當(dāng)物體運動速度接近光速時，相對論物理學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別；C當(dāng)普朗克常量h(6.631034 Js)可以忽略不計時，量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別；D當(dāng)普朗克常量h(6.631034 Js)不能忽略不計時，量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別。答案：A C閱讀課文了解牛頓力學(xué)時空觀學(xué)生思考回答學(xué)生思考討論學(xué)生閱讀課文思考學(xué)生注意聽講理解學(xué)生閱讀課文思考討論學(xué)生討論回答學(xué)生傾聽記憶公式閱讀課文掌握桿相對靜止的人測得桿長是 l0 ，沿著桿的方向，以 v 相對桿運動

18、的人測得桿長是 l，那么兩者之間的關(guān)系是學(xué)生思考討論計算學(xué)生思考討論回答學(xué)生跟著老師的思路學(xué)習(xí)拓展練習(xí)閱讀課文總結(jié)牛頓力學(xué)的成就以及它的局限性閱讀理解說明學(xué)讀課文回答問題學(xué)生練習(xí)讓學(xué)生通過自主閱讀獲取信息，培養(yǎng)學(xué)生閱讀理解能力，同時培養(yǎng)學(xué)生良好的自學(xué)習(xí)慣。鍛煉學(xué)生的邏輯思維能力了解經(jīng)典力學(xué)只適用于解決低速運動問題，不能用來處理高速運動問題了解不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的掌握愛因斯坦的兩個假設(shè)：相對性原理和光速不變原理通過課文上的舉例理解兩個事件在一個參考系中是同時的，在另一個參考系中不一定也是同時的，通過討論幫助學(xué)生進(jìn)一步理解愛因斯坦的假設(shè)，了解時間具有延緩效應(yīng)掌握時間具有延緩效應(yīng)掌握長度收縮效應(yīng)鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力鍛煉學(xué)生計算以及合作交流能力理解時間的延遲性與速度有關(guān)拓展學(xué)生的知識面鍛煉學(xué)生的總結(jié)以及語言表達(dá)能力和理解能力掌握牛頓力學(xué)和相對論以及量子論的關(guān)系拓展學(xué)生的知識面鞏固本節(jié)知識課堂小結(jié)1、愛因斯坦的兩個假設(shè)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；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。2、時間延緩效應(yīng)3、長度收縮效應(yīng)4、經(jīng)典力學(xué)只適用于解決低速運動問題，不能用來