统编人教版高中必修第二册物理《5相对论时空观与牛顿力学的局限性》集体备课教案教学设计-高中物理教案

课时教案第七单元第6案总第案课题：§7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性2020年月日教学目标核心素养物理观念：了解相对论时空观，知道物理学改变人们世界观的作用；科学思维：通过科学家建立相对论的思维探索过程，认识科学思维意义科学探究：通过对科学理论相对性的学习，知道科学是不断发展和完善的；科学态度与责任：通过牛顿力学适用范围的学习，认识物理规律的适用性。教学重点1.时间延缓效应和尺缩效应2.牛顿力学的成就、适用范围和局限性3.教学难点1.了解相对论、量子力学和牛顿力学的关系2.相对论时空观3.高考考点课型新授教具教法教学过程教学环节教师活动预设学生活动预设英国诗人蒲伯写道：自然和自然的法则在黑暗中隐藏，上帝说，让牛顿去吧，于是一切都被照亮。牛顿获得如此赞美的原因是建立了经典力学的基本体系。经典力学也称为牛顿力学，主要是牛顿运动定律为基础，在宏观世界和低速状态下，研究物体运动的基要学术。经典力学又分为静力学（描述静止物体）、运动学（描述物体运动）和动力学（描述物体受力作用下的运动）。经典力学的主要内容是牛顿三定律和万有引力定律。一、牛顿力学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，称为牛顿力学时空观，也叫绝对时空观（经典力学时空观）学生自主阅读获取信息，培养阅读理解能力，同时培养良好的自学习惯。教学环节教师活动预设学生活动预设在牛顿力学时空观里，时间像一条看不见的“长河”，均匀的自行流淌着，空间像一个广阔无边的房间，他们都不影响物体及其运动，所以不管选什么参考系，不管物体如何运动，物体的时间、长度、质量等的测量结果都是一样的。2.牛顿力学的成就①经典力学的基础是牛顿运动定律，牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔区域，包括天体力学的研究中，取得了巨大的成就。②牛顿运动三定律和万有引力定律把天体的运动与地面上物体的运动统一起来，是人类对自然界认识的第一次大综合，是人类认识史上的一次重大飞跃。牛顿力学在如此广阔的领域里与实际相符合，显示了牛顿运动定律的正确性和牛顿力学的魅力按照牛顿力学观点，若河水以相对岸的速度，河中的船以相对于水的速度顺流而下，则船相对于岸的速度为设想飞船以0.2c的速度进行星际航行，若飞船向正前方的某一星球发射一束激光，该星球上的观察者测量到的激光速度是多少？（1.2c）事实是如此吗？二、相对论时空观19世纪，英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了电磁波的存在，并证明电磁波的传播速度等于光速c，这个速度是相对哪个参考系而言的？一些物理学家对这个问题进行了研究，在实验研究中，1887年的迈克耳孙—莫雷实验以及其他一些实验表明：在不同的参回答课前问题教学环节教师活动预设学生活动预设考系中，光的传播速度都是一样的。与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符。1.爱因斯坦的假设为了解决牛顿力学与电磁波理论的矛盾与冲突，爱因斯坦、庞加莱等人主张彻底放弃某些与实验和观测不符的观念，提出更好的解释实验事实的假设。①相对性原理：物理规律在一切惯性参考系中，都具有相同的数学表达形式；②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.相对论时空观内容时间和空间与物质存在与否及运动状态有关。按照经典力学理论，若两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中一定也是同时的。但是，按照爱因斯坦的两个假设，结论还是这样吗？3.“同时”的相对性 v0v0ABv⑴车厢长为Lv0v0ABv①在车厢内的观察者看来，小球是否同时到达两壁？②在地上的观察者看来两球是否同时到达两壁？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闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁。①车上的观察者以车厢为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗对照经典时空观引导学生得出：经典时空观和相对论时空观不同。学生回答，两个观察者看到的结果一样。引导学生根据爱因斯坦假设分析。教学环节教师活动预设学生活动预设答：根据爱因斯坦相对性原理，在不同参考系中一切物理规律都是相同的，据x=ct得t=，车上观察者看来x相同，c也一样，所以t相同。②车下的观察者来说，以地面为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗？答：对地面的观察者来看，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，向后传播的路程短些，而光速仍然不变，闪光先到达后壁，后到达前壁。两个时件不是同事发生的。问题：那么为什么我们平时不能观察这种现象呢？答：因为火车速度相对于光速来说太小，在光传播的短时间内，火车位移不大，我们不能发现这么短的时间差。如果火车速度接近光速，这一现象一定很明显。总结：看来经典的时间观动摇了，相对论给我们展示了高速运动状态下全新的世界。⑵时间延缓效应（钟慢效应）相对于地面以v运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ（固有时），地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt（运动时），则有：①由于所以总有，运动时大于固有时，此种情况称为时间延缓效应（钟慢效应）高速运动时，地面上的人观察到经历的时间变长了，实际上在运动的参考系内观察时间没变。教学环节教师活动预设学生活动预设4.长度的相对性⑴长度测量：在不同参考系中测量一个杆的长度结果会如何。甲图中是一个刻度尺测出的静止的杆的长度，读出长度多少？乙图中尺子静止，杆水平向前匀速运动，怎样测长度？总结方法：“同时”读出杆两端的坐标，相减就可以了。但是在不同的参考系中“同时是相对的”。⑵尺缩效应：如图，高速行驶的车厢内，有一把长尺子，车上的人测量的长度为l0（固有长度），地面上的人测量的长度为l（运动长度），不同的参考系，由于同时的相对性，地面上的人认为他是同时读出了尺子两端的坐标，但在车上的人看来，地上的人并不是同时读出两端的坐标，先读的N端，后读的M端，这就因为同时的相对性导致了长度的相对性。根据洛伦兹变换公式，可以得出两者之间的关系如下：x1、x2、分别为尺子在车厢内的端点坐标；x1’、x2’分别为在地面上的人测量的尺子两端的坐标，由于x1’、x2’都是在时刻t·测的，所以根据洛伦兹变换公式的：两式相减得：②读数：甲图1.2m学生回答。教学环节教师活动预设学生活动预设由于，所以总有l<l0，此种情况称为长度收缩效应。①式和②式表明：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。5.相对论时空观的验证⑴最早证据已知µ子低速运动时的平均寿命是3.0µs。当µ子以0.99c的速度飞行，若选择µ子为参考系，此时µ子的平均寿命是多少？对于地面上的观测者来说，平均寿命又是多少？解：相对于光速而言，低速运动即可近似认为速度为0，即若选择与µ子一起运动的某一物体为参考系，此时µ子的平均寿命是3.0µs。对于地面上的观测者来说，设µ子的寿命为△t，可得：⑵宏观验证在1971年。将在地面上的四只铯原子钟调整同步，然后把它们分别放在两架喷气式飞机上做环球飞行，一架向东飞，另一架向西飞。两架飞机各绕地球飞行一周后回到地面，与留在地面上的铯原子钟进行比较，结果与相对论的理论语言符合很好。爱因斯坦的假说和在此假说基础上得出的结论，经受住了实验的检验，对现代物理学和人类的思想发展产生了很大的影响。学生完成教材P67思考与讨论。教学环节教师活动预设学生活动预设三、牛顿力学的局限性根据前面的学习，我们已经发现当物体以接近光速运动时的规律，有些是与牛顿力学的结论不相符合了，像一切科学一样，牛顿力学没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性。它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交响曲”。1.局限性⑴经典力学只适用于物体的低速运动。⑵不适用于用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象，即只适用于宏观物体（量子力学的建立，可以很好的描述微观粒子的运动规律）⑶适用于惯性系2.说明⑴基于实验检验的牛顿力学不会被新的科学成就所否定，而是作为某些条件下的特殊情形，被包括在新的科学成就之中。⑵当物体的运动速度远小于光速c时，相对论物理学与牛顿力学