《相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性》教案-【新教材】人教版高中物理必修word版含答案

第7章萬有引力與宇宙航行 第5節(jié)相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性教學(xué)內(nèi)容分析《相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性》是《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》必修課程必修2模塊中“牛頓力學(xué)的局限性與相對論初步”主題的內(nèi)容，內(nèi)容要求為：知道牛頓力學(xué)的局限性，體會人類對自然界的探索是不斷深入的。初步了解相對論時空觀。關(guān)注宇宙起源和演化的研究進(jìn)展.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)解讀》對條目的解讀為：要求學(xué)生知道牛頓運動定律是有一定適用范圍的，它只適用于宏觀物體，只適用于相對光速來說的低速運動物體，對微觀粒子的運動，對跟光速可比的高速運動，牛頓運動定律無法解釋。由此體會科學(xué)是一個永恒的探究過程，在發(fā)現(xiàn)原有理論不能解決新的問題之后，就需要突破原有理論的局限性，建構(gòu)新的理論模型，從而推動人類對自然界的認(rèn)識不斷深化。要求學(xué)生初步了解相對論時空觀和經(jīng)典力學(xué)時空觀的區(qū)別。在牛頓運動定律中，一個事件經(jīng)歷的時間長短，一個物體長度的大小，都被認(rèn)為是不變的，時間和空間沒有聯(lián)系，這是經(jīng)典力學(xué)的絕對時空觀；但對高速運動情境來說，時間長短、長度大小都是相對的，跟速度的大小有確定的關(guān)系，這是愛因斯坦提出的相對論時空觀。教學(xué)中可以介紹狹義相對論和廣義相對論的幾個主要觀點以及主要觀測證據(jù)，如星光偏折、引力波的發(fā)現(xiàn)等，引導(dǎo)學(xué)生將觀點和證據(jù)聯(lián)系起來，強化學(xué)生的證據(jù)意識，進(jìn)一步發(fā)展科學(xué)論證能力和現(xiàn)代物理觀念。引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注宇宙學(xué)研究的新進(jìn)展。宇宙的構(gòu)成和演化是人類正在探索的重要科學(xué)問題，是中學(xué)生感興趣的話題，近幾年有不少新的發(fā)現(xiàn)，如暗物質(zhì)和暗能量?？梢宰寣W(xué)生查閱相關(guān)資料、寫小論文或舉辦討論會等活動，拓展學(xué)生的知識面，進(jìn)一步深化對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識。學(xué)情分析學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)完牛頓運動定律和萬有引力定律，知道相對于不同的參考系同一個物理過程經(jīng)歷的時間是相同的，物體的長度和慣性系的選取不同，對牛頓絕對時空觀有一定的認(rèn)識。通過萬有引力定律內(nèi)容的學(xué)習(xí)，已經(jīng)能計算天體質(zhì)量和衛(wèi)星發(fā)射原理，學(xué)生對經(jīng)典物理取得的成就已經(jīng)有了豐富的認(rèn)識。但由于相對論時空觀與日常經(jīng)驗差別很大，學(xué)生缺乏定性的經(jīng)驗認(rèn)識，教學(xué)時要注重從物理發(fā)展史的角度介紹歷史上出現(xiàn)的新現(xiàn)象與經(jīng)典物理學(xué)的矛盾，讓學(xué)生認(rèn)識到經(jīng)典物理學(xué)并不是絕對的真理，科學(xué)理論永遠(yuǎn)在不斷發(fā)展，改進(jìn)。教學(xué)目標(biāo)1.學(xué)生感受牛頓力學(xué)在高速世界與事實的矛盾，知道牛頓力學(xué)只適用于低速、宏觀物體的運動。知道相對論、量子論有助于人類認(rèn)識高速、微觀領(lǐng)域。2.學(xué)生知道愛因斯坦狹義相對論的基本假設(shè)，知道長度相對性和時間間隔相對性的表達(dá)式。3.學(xué)生了解宇宙起源的大爆炸理論，知道科學(xué)真理是相對的，未知世界必將在人類不懈的探索中被揭開更多的謎底。教學(xué)重難點教學(xué)重點：相對論時空觀和牛頓力學(xué)的局限性教學(xué)難點：初步理解時間延緩效應(yīng)和動尺收縮效應(yīng)教學(xué)方法：講授法、啟發(fā)式教學(xué)、討論法教學(xué)過程新課引入從文藝復(fù)興開始的近代科學(xué)革命，經(jīng)過伽利略、第谷、開普勒等人的工作，科學(xué)取得很大進(jìn)步，這種發(fā)展到牛頓那里達(dá)到頂峰.科學(xué)雖進(jìn)展緩慢，但科學(xué)成就是偉大的，經(jīng)典力學(xué)的成就體現(xiàn)在生活的方方面面.然而，經(jīng)典力學(xué)并不是完美的科學(xué)理論,有其適用的局限性……新課教學(xué)1.相對論時空觀情境：子彈射擊和衛(wèi)星繞地球做圓周運動問題1：子彈的速度大約是多少？人造近地地球衛(wèi)星繞地球做圓周運動的線速度大小是多少？問題2：這些速度大嗎？和光速相比較如何？問題3：船相對水的速度微v船水，水流相對于河岸的速度是v水岸，船相對于岸上的觀測者速度是多少？問題4：人在車上隨車一起運動，車速為v，人打開一束激光，對于地面上的觀測者，激光的速度是v+c嗎？問題5：船在水中運動一段時間，船上的人用時鐘測量船的運動時間為t船，岸上的人測得時間為t岸。兩個觀察者測得的時間相同嗎？問題6：牛頓的絕對時空觀念，對時間和空間是如何認(rèn)識的？時間和空間有關(guān)系嗎？絕對時空觀和日常經(jīng)驗符合嗎？教師介紹經(jīng)典時空觀對時間和空間的認(rèn)識：絕對的、真實的和數(shù)學(xué)的時間，按其固有的特性而均勻地流逝，與一切外在事物無關(guān)。絕對空間：其自身特性與一切外在事物無關(guān)，處處均勻，永不移動。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)言電磁波的存在，后被德國物理學(xué)家海因里?！?shù)婪颉ず掌澯?888年證實.理論預(yù)言電磁波在真空中的傳播速率均為c.關(guān)于電磁波速率的參考系問題引發(fā)爭論，一種觀點認(rèn)為電磁波速率是相對于以太而言的。美國科學(xué)家邁克爾孫和莫雷通過實驗證明電磁波相對于以太的速率為c的假設(shè)是錯誤的.實驗發(fā)現(xiàn)：在不同的慣性系中，光的傳播速度相同.著名物理學(xué)家愛因斯坦提出經(jīng)典物理理論只適用于低速現(xiàn)象，對于高速現(xiàn)象，經(jīng)典物理理論不再適用。愛因斯坦提出兩條基本假設(shè)：(1)狹義相對性原理

一切物理規(guī)律在任何慣性系中具有相同形式.(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相同.愛因斯坦從兩條基本原理推導(dǎo)出新的重要結(jié)論，建立相對論時空觀。同時的相對性火車系：光同時到達(dá)前璧和后壁.地面系：光先到達(dá)后壁，后到達(dá)前壁.時間延緩效應(yīng)S'中的某事件(例如S'系中的人睡了一段時間)，S'中的鐘表B測得的時間為?τ。S系中的時鐘A測得的時間為即運動的鐘(指S'中的鐘)變慢(所謂變慢，是指走時率變慢)。在運動參考系鐘的時間節(jié)奏變慢，在其中一切物理、滑雪過程乃至自己的生民節(jié)奏都變緩了。長度收縮效應(yīng)直尺靜止在S'中，長度為系中的觀察者測得直尺長度為，<l0例題宇宙射線與大氣相互作用能產(chǎn)生π介子，介子會發(fā)生衰變而放出μ子。μ子的速度v=。已知靜止μ子的平均壽命t0為μs.在地面系看來，平均壽命是多少？答案：2.牛頓力學(xué)的成就與局限性投影圖片，展示牛頓力學(xué)在生活、工業(yè)生產(chǎn)中的重大應(yīng)用。介紹水星軌道旋進(jìn)現(xiàn)象，牛頓引力理論無法解釋。根據(jù)經(jīng)典力學(xué),行星軌道是閉合的橢圓.天文觀測發(fā)現(xiàn),內(nèi)行星的軌道不是閉合橢圓,近日點不斷進(jìn)動.尤其以水星最為明顯,每百年43″的進(jìn)動利用經(jīng)典理論無法解釋.水星的公轉(zhuǎn)軌道不斷在旋進(jìn)廣義相對論：物質(zhì)告訴時空如何彎曲，時空告訴物質(zhì)如何運動.——惠勒時空彎曲愛因斯坦提出的廣義相對論認(rèn)為：物質(zhì)會使其周圍的時空發(fā)生彎曲，天體繞中心天體運動不是因為受到引力，而是時空彎曲造成的結(jié)果。引力是時空彎曲的幾何表現(xiàn)。對廣義相對論的驗證：1919年5月29日日食期間，英國皇家學(xué)會和皇家天文學(xué)會組織的兩只遠(yuǎn)征隊分別由愛丁頓和克羅姆林領(lǐng)導(dǎo)，趕赴巴西和西非，利用日全食的機會首次觀測光線偏折效應(yīng)，觀測結(jié)果與廣義相對論的預(yù)言一致.作業(yè)：觀看《國家地理頻道紀(jì)錄片：宇宙時空之旅》紀(jì)錄片板書設(shè)計§5相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性相對論時空觀同時的相對性時間延緩效應(yīng)動尺縮短效應(yīng)牛頓力學(xué)的成就與局限性七、教學(xué)反思本節(jié)內(nèi)容教學(xué)要求較低