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)期物理人教版（2019）必修第二冊(cè)++

教學(xué)設(shè)計(jì)

課程基本信息學(xué)科物理年級(jí)高一學(xué)期春季課題相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性教學(xué)目標(biāo)1.物理觀念：了解相對(duì)論-量子論的建立對(duì)人類深入認(rèn)識(shí)客觀世界的作用，知道物理學(xué)改變?nèi)藗兪澜缬^的作用。2.科學(xué)思維：經(jīng)歷科學(xué)家建立相對(duì)論和量子論的思維探索過(guò)程，認(rèn)識(shí)科學(xué)思維的意義。3.科學(xué)探究：通過(guò)閱讀課文體會(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，人類對(duì)科學(xué)的認(rèn)識(shí)是無(wú)止境的。4.科學(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。教學(xué)內(nèi)容教學(xué)重點(diǎn)：1.了解經(jīng)典力學(xué)的局限性

2.了解相對(duì)論時(shí)空觀和牛頓力學(xué)時(shí)空觀的區(qū)別

教學(xué)難點(diǎn)：1.了解相對(duì)論、量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系2.了解時(shí)間延緩效應(yīng)和長(zhǎng)度收縮效應(yīng)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)意圖導(dǎo)入新課我們先來(lái)看一個(gè)關(guān)于衛(wèi)星導(dǎo)航的視頻。為什么衛(wèi)星的時(shí)間流逝和地面不同步呢，這與相對(duì)論又有什么關(guān)系？學(xué)完本節(jié)課相信你會(huì)有所發(fā)現(xiàn)。觀看衛(wèi)星導(dǎo)航視頻，了解定位需要四顆衛(wèi)星，了解應(yīng)用相對(duì)論能夠修正時(shí)間通過(guò)問(wèn)題引發(fā)學(xué)生的思考從而引起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣講授新課我們先來(lái)看一個(gè)生活中的運(yùn)動(dòng)情境，按兩下，火車的速度是180km/h，如果車上列車員以1m/s的速度沿車廂同向前進(jìn)，相對(duì)于地面靜止的觀察者看到列車員的速度是多大？列車員相對(duì)于火車的速度加上火車相對(duì)于地面的速度就是列車員相對(duì)于地面的速度了，大小為51米每秒。我們?cè)賮?lái)看一個(gè)煙花爆炸的情境，火球在空中爆炸后，多個(gè)小光球向四面八方運(yùn)動(dòng)，形成漂亮的球形煙花，火球爆炸的瞬間，觀察者與爆炸點(diǎn)距離為ｄ，各小光球速度均為ｖ，如果光速是遵循速度疊加規(guī)則的，那么哪個(gè)小光球發(fā)出的光最先被觀察者看見？哪個(gè)小光球發(fā)出的光最后被觀察者看見？請(qǐng)你導(dǎo)出時(shí)間差表達(dá)式。假設(shè)光速遵循速度疊加規(guī)則，朝a方向運(yùn)動(dòng)的小光球發(fā)出的光到達(dá)觀察者的時(shí)間為，d除以c與v的差值，朝b方向運(yùn)動(dòng)的小光球發(fā)出的光到達(dá)觀察者的時(shí)間為，d除以c與v的之和，兩束光到達(dá)觀察者的時(shí)間差值為，2dv除以c方減去v方。根據(jù)這個(gè)結(jié)果，觀察者能明顯看到，先亮和后亮嗎？顯然v遠(yuǎn)小于c，很難觀察到。要使時(shí)間差能夠被人眼區(qū)分，d、v應(yīng)該滿足什么條件？很好，觀察者距離爆炸點(diǎn)應(yīng)該足夠遠(yuǎn)，同時(shí)拋出的小光球的速度應(yīng)該足夠大。師：宇宙中剛好有這么一個(gè)例子，約6500光年外的蟹狀星云是超新星爆發(fā)形成的，爆發(fā)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度大約是光速的兩百分之一。如果光速遵循速度疊加規(guī)則，天文學(xué)家計(jì)算得到光到達(dá)地球的時(shí)間差應(yīng)該為50年，但在實(shí)際的觀測(cè)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這樣的證據(jù)，中國(guó)宋朝的記載是23天。師：通過(guò)兩個(gè)情境的比較，大家有什么疑問(wèn)嗎？停頓三秒，為什么光速不遵循速度疊加規(guī)則？光速C本身是相對(duì)于哪個(gè)參考系的？早在19世紀(jì)，按1下，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)了這個(gè)問(wèn)題，光速c由麥克斯韋方程推導(dǎo)出，按1下，但是麥克斯韋方程并不滿足伽利略變換。部分科學(xué)家認(rèn)為光速是相對(duì)于以太（某種絕對(duì)靜止參考系）的速度，但是邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有找到以太，反而發(fā)現(xiàn)光速在不同參考系中都是不變的。師：在實(shí)驗(yàn)事實(shí)面前，許多物理學(xué)家仍然立足在牛頓力學(xué)時(shí)空觀的基礎(chǔ)上，想通過(guò)一些理論上的修補(bǔ)工作，解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。以愛因斯坦和龐加萊，為代表的另一批物理學(xué)家，堅(jiān)決主張徹底放棄某些與實(shí)驗(yàn)事實(shí)不相符的觀念，在實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上，大膽提出，能夠更好地解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的假設(shè)。師：我們一起來(lái)看看這樣一個(gè)思維實(shí)驗(yàn)，如果你身處一列看不見外界的車廂中，你能否通過(guò)身體的前傾和后仰判斷火車是靜止還是勻速運(yùn)動(dòng)呢？不管火車是靜止還是勻速運(yùn)動(dòng)，甚至無(wú)論勻速運(yùn)動(dòng)的速度是100碼還是200碼，你的身體都能保持直立。因此你不能通過(guò)身體的姿態(tài)判斷火車到底是靜止還是勻速，由此愛因斯坦提出了狹義相對(duì)論的假設(shè)之一：不同慣性參考系下物理規(guī)律形式相同。同時(shí)，愛因斯坦，假設(shè)任何慣性系中光速是相同的。在經(jīng)典物理學(xué)家的頭腦中，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，如果接受了愛因斯坦的兩個(gè)假設(shè)，還是這樣嗎？我們來(lái)看這樣一個(gè)情境。一列火車以速度v相對(duì)地面高速運(yùn)動(dòng)，位于火車車廂正中間的光源，某一時(shí)刻發(fā)出了一個(gè)閃光。車上的觀察者看來(lái)，閃光是否同時(shí)到達(dá)前壁和后壁？顯然在車上的觀察者看來(lái)，光到達(dá)前后壁的距離相等，光速相同，所以兩束光同時(shí)到達(dá)前壁和后壁。與地面靜止的觀察者眼中，光剛從光源發(fā)出時(shí)，前壁與后壁離光源是否等距?顯然是等距的。經(jīng)過(guò)時(shí)間t后，前壁與后壁離光發(fā)出時(shí)的位置還等距嗎?t時(shí)間后，火車向前行駛一段距離，所以后壁離光發(fā)出時(shí)的位置更近。根據(jù)光速不變?cè)?，靜止在地面的觀察者能看到光同時(shí)到達(dá)前壁與后壁嗎?不能，后壁距離光發(fā)出時(shí)的位置更近，光速相同，所以光先到達(dá)后壁。師：光到達(dá)前后壁的時(shí)間間隔與火車相對(duì)于觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，所以時(shí)間間隔還是與物體運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的獨(dú)立存在嗎?看來(lái)完成某個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔就和光到達(dá)前壁與光到達(dá)后壁的時(shí)間間隔一樣，與物體相對(duì)于觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。在愛因斯坦兩個(gè)假設(shè)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到以下結(jié)論。師：如果相對(duì)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t0，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t，那么兩者之間的關(guān)系是如下，由于分母總是小于1，因此時(shí)間t總是大于t0，此種情況稱為時(shí)間延緩效應(yīng)。除了時(shí)間觀念，你認(rèn)為空間距離是否也會(huì)與物體的運(yùn)動(dòng)有關(guān)?師：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)系如下，同樣l總是小于l0，此種情況稱為長(zhǎng)度收縮效應(yīng)。下圖直觀的展現(xiàn)了地面觀察者看到的不同速度下的火箭尺寸?？雌饋?lái)如此不可思議的相對(duì)論效應(yīng)是否得到實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證了呢？我們一起觀看視頻尋找答案?？磥?lái)飛機(jī)上銫原子鐘的時(shí)間延緩與觀測(cè)到的繆子壽命延長(zhǎng)確實(shí)驗(yàn)證了狹義相對(duì)論的準(zhǔn)確性。師：當(dāng)高鐵列車以160km/h運(yùn)行時(shí)，車上乘客的時(shí)間流逝速度與靜止在地面上的人相同嗎？大家都坐過(guò)火車，并沒(méi)有觀察到時(shí)間流逝不一樣快。那為什么導(dǎo)航衛(wèi)星的時(shí)間流逝比地面上的慢，高鐵卻沒(méi)有？原來(lái)導(dǎo)航衛(wèi)星的運(yùn)行速度，大約為一萬(wàn)四千千米每小時(shí)，這樣大的速度產(chǎn)生的時(shí)間延緩效應(yīng)需要用相對(duì)論修正。高鐵的速度相對(duì)于光速較小，相對(duì)論效應(yīng)不明顯。師：在相對(duì)論之前，我們認(rèn)為運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度和物理過(guò)程的快慢都跟物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，具有絕對(duì)性。它所反映的時(shí)空觀稱作絕對(duì)時(shí)空觀，現(xiàn)在我們知道絕對(duì)時(shí)空觀只適用于低速運(yùn)動(dòng)的物體。相對(duì)論之后，我們認(rèn)為運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度和物理過(guò)程的快慢都跟物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。它所反映的時(shí)空觀稱作相對(duì)論時(shí)空觀。當(dāng)物體做低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，相對(duì)論時(shí)空觀就退變成了，絕對(duì)時(shí)空觀。閱讀理解情境，根據(jù)伽利略變換，計(jì)算列車員相對(duì)地面的速度理解、構(gòu)建模型，計(jì)算時(shí)間差對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行思考思考為什么當(dāng)d、v足夠大時(shí)，還是沒(méi)有計(jì)算中的時(shí)間差，是哪里出了問(wèn)題？思考，是不是假設(shè)出了問(wèn)題？為什么光速不滿足伽利略變換了解科學(xué)史實(shí)，體會(huì)愛因斯坦、龐加萊等科學(xué)家的科學(xué)主張，體會(huì)科學(xué)理論發(fā)展的規(guī)律。積極參與思維實(shí)驗(yàn)，體會(huì)到相對(duì)性原理的準(zhǔn)確性。應(yīng)用相對(duì)論的兩個(gè)假設(shè)計(jì)算在兩個(gè)參考系中的觀察者觀察到光到達(dá)前后壁的時(shí)間差通過(guò)計(jì)算結(jié)果體會(huì)時(shí)間延緩效應(yīng)與長(zhǎng)度縮短效應(yīng)觀看視頻，了解銫原子鐘實(shí)驗(yàn)以及μ子壽命延長(zhǎng)現(xiàn)象對(duì)于相對(duì)論的論證，體會(huì)相對(duì)論時(shí)空觀與經(jīng)典時(shí)空觀的不同引入伽利略變換事例，為之后引出矛盾，從而引出相對(duì)論做準(zhǔn)備假設(shè)光速滿足伽利略變換，引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)兩次光的時(shí)間差，為下個(gè)環(huán)節(jié)做鋪墊。引導(dǎo)學(xué)生計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)d、v不夠大時(shí)人眼無(wú)法分辨時(shí)間差。引入宇宙蟹狀星云爆炸，d、v都很大，但是時(shí)間差依舊不明顯，引起學(xué)生思考，到底哪里出了問(wèn)題，難道光速不滿足伽利略變換？引出光速不滿足伽利略變換幫助學(xué)生了解相對(duì)論建立之前經(jīng)典物理學(xué)的兩朵烏云之一，為相對(duì)論假設(shè)的建立提供依據(jù)引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)生活實(shí)際理解相對(duì)性原理。引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)情景計(jì)算體會(huì)同時(shí)的相對(duì)性引導(dǎo)學(xué)生了解鐘慢與尺縮的公式，會(huì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的應(yīng)用計(jì)算引導(dǎo)學(xué)生了解任何物理理論的發(fā)展都需要實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。歸納總結(jié)師：除了高速運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域，牛頓力學(xué)在其他方面是否也有局限性？其實(shí)微觀粒子，運(yùn)動(dòng)也不能用牛頓力學(xué)來(lái)說(shuō)明。20世紀(jì)20年代，量子力學(xué)建立了，它能夠很好地描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要作用。那是不是說(shuō)明牛頓力學(xué)過(guò)時(shí)了?我們是否仍要學(xué)習(xí)牛頓力學(xué)呢?基于實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的牛頓力學(xué)不會(huì)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。師：牛頓力學(xué)取得的偉大成就有哪些?從地面上物體的運(yùn)動(dòng)到天體的運(yùn)動(dòng)，從攔河筑壩、修建橋梁到設(shè)計(jì)各種機(jī)械，從自行車到汽車、火車、飛機(jī)等現(xiàn)代交通工具的運(yùn)動(dòng)，從投出籃球到發(fā)射導(dǎo)彈、人造地球衛(wèi)星、宇宙飛船……所有這些都服從牛頓力學(xué)的規(guī)律。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。師：回過(guò)頭看相對(duì)論等理論的發(fā)展歷程，你覺得科學(xué)理論的發(fā)展有何特點(diǎn)?科學(xué)理論具有相對(duì)穩(wěn)定性，又是不斷發(fā)展的，人類對(duì)自然的探索是永無(wú)止境的，每一代人都有繼續(xù)探究的責(zé)任。師：最后做個(gè)小結(jié)，本節(jié)課我們一起感受了牛頓力學(xué)在高速世界與事實(shí)的矛盾，知道了牛頓