相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性+教學(xué)設(shè)計(jì) 高一下學(xué)期物理魯科版（2019）必修第二冊(cè)

課題7.5相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性教材章節(jié)必修二第七章第五節(jié)課型新授課授課時(shí)間授課地點(diǎn)教材分析本節(jié)的地位和作用：本節(jié)課是人教版高中物理必修二第七章第5節(jié)，本節(jié)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(shí)面、展示科學(xué)探究的無(wú)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(jià)值觀方面發(fā)揮應(yīng)有的教育功能。教材內(nèi)容分析：本節(jié)教材先介紹高速運(yùn)動(dòng)的物體運(yùn)動(dòng)時(shí)牛頓力學(xué)體系不成立，并給出了質(zhì)量隨速度變化關(guān)系。接下來(lái)介紹從宏觀到微觀的變化，介紹了量子化現(xiàn)象。最后介紹從弱力到強(qiáng)力，廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)。把這么多內(nèi)容安排到一節(jié)重點(diǎn)不在對(duì)相對(duì)論和量子力學(xué)知道多少，而在于讓學(xué)生體會(huì)任何科學(xué)都有局限性，并不是牛頓力學(xué)過(guò)時(shí)了，要理解各自成立的條件。學(xué)情分析學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)經(jīng)典力學(xué)的理論和時(shí)空觀，聽(tīng)說(shuō)過(guò)相對(duì)論和量子力學(xué)。對(duì)本節(jié)的知識(shí)有一定的了解，對(duì)這部分內(nèi)容也充滿了興趣。但是由于相對(duì)論時(shí)空觀和量子化現(xiàn)象內(nèi)容十分抽象，學(xué)生們?cè)趯?shí)際生活中沒(méi)有接觸過(guò)，所以對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，本節(jié)課的內(nèi)容是比較難理解的。教學(xué)目標(biāo)物理觀念：1．知道以牛頓運(yùn)動(dòng)定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)的適用范圍。2．知道相對(duì)論、量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系。3．通過(guò)對(duì)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(shí)知識(shí)的變化性和無(wú)窮性，培養(yǎng)獻(xiàn)身于科學(xué)的時(shí)代精神?？茖W(xué)思維：通過(guò)閱讀夾體會(huì)一切科學(xué)都有自己的局限性，新的理論會(huì)不斷完善和補(bǔ)充舊的理論，人類(lèi)對(duì)科學(xué)的認(rèn)識(shí)是無(wú)止境的?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過(guò)對(duì)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(shí)知識(shí)的變化性和無(wú)窮性，培養(yǎng)獻(xiàn)身于科學(xué)的時(shí)代精神。重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：了解經(jīng)典力學(xué)的局限性難點(diǎn)：了解相對(duì)論、量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系教學(xué)方法講授法、談話法、練習(xí)法教學(xué)用具傳統(tǒng)教室教學(xué)過(guò)程教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)意圖知識(shí)回顧帶領(lǐng)學(xué)生回顧牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律?；仡櫯ｎD運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律。本節(jié)課要討論相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性，需要運(yùn)用到這部分知識(shí)。新課引入經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律，萬(wàn)有引力定律更是科學(xué)史上最偉大的定律之一。通過(guò)前面的學(xué)習(xí)，我們知道從天體的運(yùn)動(dòng)到地面上的各種物體的運(yùn)動(dòng)，從大氣的流動(dòng)到地殼的變動(dòng)，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?思考老師提出的問(wèn)題。通過(guò)問(wèn)題引發(fā)學(xué)生的思考從而引起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。新課講授一、牛頓力學(xué)時(shí)空觀1、牛頓力學(xué)時(shí)空觀時(shí)間與空間都是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的。這種絕對(duì)時(shí)空觀，也叫牛頓力學(xué)時(shí)空觀。在牛頓力學(xué)時(shí)空觀里，時(shí)間像一條看不見(jiàn)的“長(zhǎng)河”，均勻地自行流逝著，空間像一個(gè)廣闊無(wú)邊的房間，它們都不影響物體及其運(yùn)動(dòng)。思考1：若河中的水以相對(duì)于岸的速度v水流動(dòng)，河中的船以相對(duì)水的速度v舟順流運(yùn)動(dòng)，則船相對(duì)岸的速度是多少？v=v水+v舟思考2：設(shè)想人類(lèi)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(cè)量到的激光的速度是多少？不是1.2c，還是c。問(wèn)題的答案似乎應(yīng)為1.2c，然而，事實(shí)并非如此！因?yàn)榻?jīng)典力學(xué)不再適用。經(jīng)典力學(xué)只適用于解決低速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，不能用來(lái)處理高速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，要解決這一問(wèn)題就需要用到相對(duì)論時(shí)空觀。解牛頓力學(xué)時(shí)空觀，并思考兩個(gè)問(wèn)題。認(rèn)識(shí)到經(jīng)典力學(xué)的局限性，并開(kāi)始學(xué)習(xí)相對(duì)論時(shí)空觀。通過(guò)兩個(gè)問(wèn)題，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)經(jīng)典力學(xué)在這兩個(gè)問(wèn)題中不再適用。從而引出相對(duì)論時(shí)空觀。新課講授二、相對(duì)論時(shí)空觀引導(dǎo)學(xué)生思考課本上的問(wèn)題：19世紀(jì)，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋根據(jù)電磁場(chǎng)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(gè)速度是相對(duì)哪個(gè)參考系而言的?讓學(xué)生閱讀教材，尋找答案。在學(xué)生思考之后，教師解釋道：1887年的邁克耳孫--莫雷實(shí)驗(yàn)以及其他一些實(shí)驗(yàn)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(wú)論對(duì)于哪個(gè)參考系而言都是一樣的。思考課本上的問(wèn)題，閱讀教材尋找答案。理解邁克耳孫--莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)論。讓學(xué)生思考教材中的問(wèn)題，并初步認(rèn)識(shí)相對(duì)論時(shí)空觀。1.為了解決上述矛盾，愛(ài)因斯坦提出了兩個(gè)假設(shè)，向?qū)W生介紹愛(ài)因斯坦的兩個(gè)假設(shè)：（1）相對(duì)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。（2）光速不變?cè)恚赫婵罩械墓馑僭诓煌膽T性參考系中大小都是相同的。2.接著，介紹相對(duì)時(shí)空觀的內(nèi)容：認(rèn)為時(shí)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(yùn)動(dòng)有關(guān)。思考討論：在經(jīng)典物理學(xué)中，如果兩個(gè)事件在一個(gè)參考系中是同時(shí)的，在另一個(gè)參考系中一定也是同時(shí)的。但是，如果按照愛(ài)因斯坦的兩個(gè)假設(shè)，結(jié)論還是這樣嗎？根據(jù)愛(ài)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(gè)事件在一個(gè)參考系中是同時(shí)的，在另一個(gè)參考系中不一定也是同時(shí)的。并通過(guò)一個(gè)例子來(lái)解釋相對(duì)時(shí)空觀。例如：假設(shè)一列火車(chē)沿平直軌道飛快地勻速行駛。車(chē)廂中央的光源發(fā)出了一個(gè)閃光，閃光照到了車(chē)廂的前壁和后壁。（1）車(chē)上的觀察者以車(chē)廂為參考系，閃光到達(dá)前后兩壁的時(shí)間相同嗎？（1）車(chē)下的觀察者來(lái)說(shuō)，以地面為參考系，閃光到達(dá)前后兩壁的時(shí)間相同嗎？甲參考答案：（1）如圖甲所示：因?yàn)檐?chē)廂是個(gè)慣性系，閃光向前、后傳播的速率相同，光源又在車(chē)廂的中央，閃光當(dāng)然會(huì)同時(shí)到達(dá)前后兩壁。根據(jù)愛(ài)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(duì)地面也是相同的。在閃光飛向兩壁的過(guò)程中，車(chē)廂向前行進(jìn)了一段距離，所以向前的光傳播的路程長(zhǎng)些即：閃光先到達(dá)后壁，后到達(dá)前壁因此，這兩個(gè)事件不是同時(shí)發(fā)生的。3、時(shí)間延緩效應(yīng)如果相當(dāng)于地面以v運(yùn)動(dòng)的慣性參考系上的人觀察到與其一起運(yùn)動(dòng)的物體完成某個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為Δτ，地面上的人觀察到該物體在同一地點(diǎn)完成這個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為Δt，則Δt=由于1-(vc)4、長(zhǎng)度收縮效應(yīng)如果與桿相對(duì)靜止的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l0，沿著桿的方向，以v相對(duì)桿運(yùn)動(dòng)的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l，那么兩者之間的關(guān)系是l由于1-(vc)上兩式表明：運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度（空間距離）和物理過(guò)程的快慢（時(shí)間進(jìn)程）都跟物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。這個(gè)結(jié)論具有革命性的意義，它所反映的時(shí)空觀稱(chēng)作相對(duì)論時(shí)空觀。1.了解愛(ài)因斯坦的兩個(gè)假設(shè)；2.了解相對(duì)時(shí)空觀的內(nèi)容，并思考“思考與討論”部分的問(wèn)題。3.通過(guò)愛(ài)因斯坦的火車(chē)實(shí)驗(yàn)，解釋根據(jù)愛(ài)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(duì)地面也是相同的。在閃光飛向兩壁的過(guò)程中，車(chē)廂向前行進(jìn)了一段距離，所以向前的光傳播的路程長(zhǎng)些即：閃光先到達(dá)后壁，后到達(dá)前壁因此，這兩個(gè)事件不是同時(shí)發(fā)生的。4.了解與經(jīng)典力學(xué)不同的時(shí)間延緩效應(yīng)和長(zhǎng)度收縮效應(yīng)。詳細(xì)介紹相對(duì)論時(shí)空觀的內(nèi)容。三．牛頓力學(xué)的成就與局限性1、牛頓力學(xué)的成就（1）經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律，牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律在宏觀、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(shí)踐的檢驗(yàn)，取得了巨大的成就。（2）牛頓運(yùn)動(dòng)三定律和萬(wàn)有引力定律把天體的運(yùn)動(dòng)與地面上物體的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來(lái)，是人類(lèi)對(duì)自然界認(rèn)識(shí)的第一次大綜合，是人類(lèi)認(rèn)識(shí)史上的一次重大飛躍。2、牛頓力學(xué)的局限性（1）物體在以接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)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(yùn)動(dòng)。（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(shí)還具有波動(dòng)性，量子力學(xué)能很好地描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。經(jīng)典力學(xué)不適用于微觀領(lǐng)域中物質(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。了解牛頓力學(xué)雖然有一定局限，但是它有著偉大的成就。感受牛頓力學(xué)在如此廣闊的領(lǐng)域里與實(shí)際相符合，顯示了牛頓運(yùn)動(dòng)定律的正確性和牛頓力學(xué)的魅力。課堂練習(xí)1.牛頓定律能適用于下列哪些情況?A、研究原子中電子的運(yùn)動(dòng)B、研究“神州”五號(hào)的高速發(fā)射C、研究地球繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)D、研究飛機(jī)從深圳飛往北京的航線1．經(jīng)典力學(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