相对论时空观与牛顿力学的局限性

1、相对论时空观与牛顿力学的局限性课题相对论时空观与牛顿力学的局限性单元7学科物理年级m*乒a教材分析本节课所采用的教材是人教版高中物理必修第二册第七章第5节的内容.本节内容是学习完经典力学以后所做的介绍性质内容,它可以拓展学生的知识面、展示科学探究的无限可能,建立科学思想、科学的思维方法,培养科学精神,在情感、态度与价值观方面发挥应有的教育功能.本节教材先介绍相对论时空观,并给出了时间延缓效应,长度收缩效应.然后讲解了牛顿力学的成就与局限性,让学生体会任何学科都有局限性,并不是牛顿力学过时了,要理解各自成立的条件.教学目标一、教学目标1 .知道以牛顿运动定律为根底的经典力学的适用范围.2 .知道

2、相对论、量子力学和经典力学的关系.3 .通过对牛顿力学适用范围的讨论,使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围,熟悉知识的变化性和无穷性,培养献身于科学的时代精神.二、核心素养物理观念：了解相对论-量子论的建立对人类深入熟悉客观世界的作用,知道物理学改变人们世界观的作用.科学思维：经历科学家建立相对论和量子论的思维探索过程,熟悉科学思维的意义.科学探究：通过阅读课文体会一切科学都有自己的局限性,新的理论会不断完善和补充旧的理论,人类对科学的熟悉是无止境的.科学态度与责任：通过对牛顿力学适用范围的讨论,使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围,熟悉知识的变化性和尢穷性,培养献身于科学

3、的时代精神.教学重点了解经典力学的局限性教学难点了解相对论、量子力学与经典力学的关系教学过程教学环节教师活动学生活动设计意图导入新课经典力学的根底是牛顿运动定律,力招引力定律更是树立了人们对牛顿物理学的尊敬.通过前面的学习,我们知道从天体的运动到学生回忆已学知识并思考通过问题引发学生的思考从而引地面上的各种物体的运动,从大气的流动到地壳的变动,所有这些都服从经典力学规律.那么,是不是任何情境卜都遵从经典力学的规律呢起学生学习的兴趣讲授新课一、牛顿力学时空观1、牛顿力学时空观时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的.这种绝对时空观,也叫牛顿力学时空观.阅读课文了解让学生通过自主在牛顿力学时空观里

4、,时间条看不见的牛顿力学时空阅读获取信息,“长河,均匀地自行流逝着,空间七个广阔观培养学生阅读理无边的房间,它们都不影响物体及其运动.所以解水平,同时培不管选什么参考系,不管物体怎么运动,物体的养学生良好的自时间、长度、质量等等的测量结果肯定是一样学习惯.的.思考1：假设河中的水以相对于岸的速度v水岸流学生思考答复锻炼学生的逻辑动,河中的船以相对于水的速度v船水顺流而下,思维水平那么船相对于岸的速度v船岸如何表示?v船岸=v船水+v水岸思考2:设想人类可以利用飞船以0.2c的速度进行星际航行.假设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的学生思考讨论了解经典力学只速度是

5、否为1.2c?适用于解决低速出示图片：飞船向正前方的某一星球发射一运动问题,不能束激光用来处理高速运问题的答案似乎应为1.2c,然而,事实并非动问题如此！由于经典力学不再适用.经典力学只适用于解决低速运动问题,不能用来处理高速运动问题,要解决这一问题就需要用到相对论时空观.二、相对论时空观思考：19世纪,英国物埋学家麦克斯韦根据电磁场理论预百了电磁波的存在,并证实电磁波的传播速度等于光速C这个速度是相对哪个参考学生阅读课文了解不同的参书系而后的思考系中,光的传播出示图片：麦克斯韦英国物埋学家、数学家出示图片：迈克尔逊：波兰裔美国藉物理学家.1887年的迈克耳孙一莫雷实验以及其他一些实验说明：在

6、不同的参考系中,光的传播速度都是一样的所以证实电磁波的传播速度等于光速C,无论对速度都是一样的于哪个参考系而言都是一样的.学生注意听讲掌握爱因斯坦的1、爱因斯坦的两个假设理解两个假设：相对(1)相对性原埋：在小向的惯性参考系中,性原理和光速不物理规律的形式都是相同的；说明在任何惯性系中研究某个物体的某一运动过程,其运动规律形式/、变.(2)光速/、艾原理：真空中的光速在/、同的惯性参考系中大小都是相同的.说明了经典时空观与相对论时空观的/、同.2.相对论时空观的内容认为时间和空间是相互联系、相互影响的,并且与物质的存在及运动有美.变原理思考讨论：在经典物理学中,如果两个事件学生阅读课文通过课文

7、上的举在一个参考系中是同时的,在另一个参考系中一思考讨论例理解两个事件定也是同时的.但是,如果根据爱因斯坦的两个在一个参考系中假设,结论还是这样吗是同时的,在另根据爱因斯坦假设：真空中的光速在不同的一个参考系中不惯性参考系中大小都是相同的,两个事件在一个一定也是同时参考系中是同时的,在另一个参考系中不一定也是同时的.例如：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,闪光照的,学生讨论答复通过讨论帮助学生进一步理解爱因斯坦的假设,了解时间具有延缓效应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(1)车下的观察者来说,以地面为参考系,

8、闪光到达前后两壁的时间相同吗甲参考答案：(1)如图甲所示：由于车厢是个惯性系,闪光向前、后传播的速率相同,光源又在车厢的中央,闪光当然会同时到达前后两壁.根据爱因斯坦的假设：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的,所以他以地面为参考系,闪光向前、后传播的速率对地面也是相同的.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即：闪光先到达后壁,后到达前壁因此,这两个事件不是同时发生的.学生倾听记忆公式掌握时间具有延缓效应3、时间延缓效应如果相当于地面以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A°,地面上的人观察到该物体在

9、同一地点完成这个动作的时间间隔为At,那么,一v2由于12<1,所以总有At>AT,此种c情况称为时间延缓效应.4、长度收缩效应如果与杆相对静止的人测得杆长是6沿着杆的方向,以v相对杆运动的人测得杆长是1,那么两者之间的关系是t=mJi-2,一v0由于1一2<1,所以总有1<10,此种情况称C为长度收缩效应.1式和2式说明：运动物体的长度空间距离和物理过程的快慢时间进程者B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.爱尔兰物理学家佛兹杰拉德提出,物质会在运动的方向上收缩缩小,这意味着根据一个静止观察者的观点,一枚以接近光线运行的火箭

10、所表现出的长度会比它静止时更短,尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样.爱因斯坦指出,任何物体以光速运动时,其长度将会缩短为零.阅读课文掌握杆相对静止的人测得杆长是10,沿着杆的方向,以v相对杆运动的人测得杆长是1,那么两者之间的关系是学生思考讨论计算掌握长度收缩效应锻炼学生的自主学习水平锻炼学生计算以及合作交流水平思考与讨论：科子低速运动时的平均寿命是3.0当科子以0.99c的速度飞行,假设选择科子为参考系,此时科子的平均寿命是多少对于地面上的观测者来说,平均寿命又是多少相对于光速而言,低速运动即可近似认为速度为0,即假设选择与科子一起运动的某一物体为参考系,此时子的平均寿命是3.0is对于地面

11、上的观测者来说0.14狭义相对论认为时间不是绝对的即固定不变的,爱因斯坦指出,随着物体观察者所见到的运动速度的加快,时间会变慢.思考：相对论时空观的第一次宏观验证是在1971年进行的.当时在地面上将四只葩原子钟调整同步,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,与留在地面上的葩原子钟进行比拟.它们的时间有什么不同根据狭义相对论,随着物体观察者所见到的运动速度的加快,时间会变慢.向东飞行时葩原子钟的度数比地球上的葩原子钟慢了这是由于向东飞行速度比地面上的大；而向西飞行的葩原子钟比地球上的快了,这是由于向西飞飞机的速度和地球自转相抵

12、消,它们的速度比地面上的小；知识拓展1、狭义相对论根据狭义相对论而言,物体运动时质量会随着物体运动速度增大而增加质速关系,同时,空间和时间也会随着物体运动速度的变化而变化,理解时间的延迟学生思考讨论答复性与速度有关拓展学生的知识学生跟着老师面的思路学习拓展练习即会发生尺缩效应和钟慢效应.】m0是物体静止时的质量,m是物体速度为v时的质量,c是真空中的光速.2、从弱引力到强引力阅读课文总结牛顿力学的成就以及它的局限性锻炼学生的总结以及语言表达水平和理解水平按牛顿的万有引力定律推算,行星应该沿着一些椭圆做周期性运动,而天文观测说明,行星的轨道并不是严格闭合的,它们的近日点在不断地旋进,如水星的运动

13、,由经典力学与行星轨道的矛盾说明了什么参考答案：经典力学只适用于弱引力场,而不适用于强引力场.三、牛顿力学的成就与局限性像一切科学一样,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、牛顿力学的成就(1)经典力学的根底是牛顿运动定律,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,经受了实践的检验,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,是人类对自然界熟悉的第一次大综合,是人类熟悉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

14、律的正确性和牛顿力学的魅力2、局限性(1)物体在以接近光速运动时所遵从的规律,有些是与牛顿力学的结论并不相同的.所以经典力学只适用于物体的低速运动.(2)在微观世界中,发现了电子、质子、中子等微观粒子,而且发现它们不仅具有粒子性,同时还具有波动性,量子力学能很好地描述微观粒子的运动规律.经典力学不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象(3)经典力学规律只在惯性参考系中成立经典力学规律只能用于宏观、低速(与光速相比)的情形,且只在惯性参考系中成立.说明(1)基于实验检验的牛顿力学不会被新的科学成就所否认,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.(2)当物体的运动速度远小于光速

15、c时(c=3X10m/s),相对论物理学与经典物理学的结论没启区别;(3)当另一个重要常数即普朗克常量h可以忽略不计时(h=6.63X14J.)5,量子力学和牛顿力学的结论没有区别.(4)相对论与量子力学都没有否认过去的科学,而只认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形.科学漫步1.宇宙的起源与演化我们的宇宙是在约138亿年以前从一个尺度极小的状态开展演化来的.在这个过程中,宇宙的温度从高到低,先是生成一些根本粒子形态的物质,接着产生了原子、分子等各种物质,物质再进一步聚集起来形成星系,成为我们今天看到的宇宙.阅读理解说明学读课文答复问题掌握牛顿力学和相对论以及量子论的关系拓展学生的知识面出

16、示图片：普朗克探测器记录下的微波天空2.恒星的演化阅读课文说一说恒星是如何诞生的根据大爆炸宇宙学,大爆炸10万年后,温度下降到了3000K左右,出现了由中性原子构成的宇宙尘埃.由于力有引力的作用,形成了更密集的尘埃.尘埃像滚雪球一样越滚越大,形成了气体状态的星云团.星云团的凝聚使得温度升高,到一定程度星云团就开始发光,于是,恒星诞生了.课堂练习1 .经典力学只适用于“宏观世界,这里的“宏观世界是指A.行星、恒星、星系等巨大的物质领域B.地球表向上的物质世界C.人眼能看到的物质世界D.不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界答案：D2 .卜列说法正确的选项是A.经典力学能够说明微观粒子的规律性

17、；B.经典力学适用于宏观物体的低速运动问题,不适用于高速运动的物体；C.相对论与量子力学的出现,说明经典力学已失去意义；D.对于宏观物体的高速运动问题,经典力学仍适用.答案：B3 、牛顿定律不适附于卜列哪些情况A.研究原子中电子的运动B.研究“嫦娥三号的高速发射学生练习稳固本节知识C.研究地球绕太阳的运动D.研究飞机从北京飞往纽约的航线答案：A拓展提升1、关于经典力学、狭义相对论和量子力学,卜列说法中正确的选项是A.狭义相对论和经典力学是相互对立的、互不相容的两种理论；B.在物体高速运动时,物体的运动规律遵循狭义相对论,在低速运动时,物体的运动遵循牛顿运动定律；C.经典力学适用于宏观物体的运动

18、,量子力学适用于微观粒子的运动；D.不管是宏观物体,还是微观粒子,经典力学和量子力学都是适用的.答案：BC2、通过一个加速装置对电子加一很大的恒力,使电子从静止开始加速,那么对这个加速过程,卜列描述正确的选项是A.根据牛顿第二定律,电子将不断做匀加速直线运动B.电子先做加速运动,后以光速做匀速直线运动C.电子开始先近似于匀加速运动,后来质量增大,牛顿运动定律/、再适用D.电子是微观粒子,整个加速过程根本就不能用牛顿运动定律解释答案：C3、卜面说法中正确的选项是A.当物体运动速度远小于光速时,相对论物理学和经典物理学的结论没有国别；B.当物体运动速度接近光速时,相对论物理学和经典物理学的结论没有区别；C.当普朗克常量h(6.63X1034J?s)可以忽略不计时,量子力学和经典力学的结论没有这别；D.当普朗克常量h(6.63X1034J?s)不能忽略不计时,量子力学和经典力学的结论没有这另I.答案：AC课堂小结1、爱因斯坦的两个假设相对性原理：在不同的惯性参考系中,物理规律的形式都是相同的；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、时间延缓效应3、长度收缩效应4、经典力学只适用于解决低速运动问题,不能用