相对论时空观与牛顿力学的局限性+教学设计 高一下学期物理鲁科版（2019）必修第二册

课题7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性教材章节必修二第七章第五节课型新授课授课时间授课地点教材分析本节的地位和作用：本节课是人教版高中物理必修二第七章第5节，本节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。教材内容分析：本节教材先介绍高速运动的物体运动时牛顿力学体系不成立，并给出了质量随速度变化关系。接下来介绍从宏观到微观的变化，介绍了量子化现象。最后介绍从弱力到强力，广义相对论的基础。把这么多内容安排到一节重点不在对相对论和量子力学知道多少，而在于让学生体会任何科学都有局限性，并不是牛顿力学过时了，要理解各自成立的条件。学情分析学生已经学习过经典力学的理论和时空观，听说过相对论和量子力学。对本节的知识有一定的了解，对这部分内容也充满了兴趣。但是由于相对论时空观和量子化现象内容十分抽象，学生们在实际生活中没有接触过，所以对于学生来说，本节课的内容是比较难理解的。教学目标物理观念：1．知道以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围。2．知道相对论、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，认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神。科学思维：通过阅读夹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，人类对科学的认识是无止境的。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，认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神。重点与难点重点：了解经典力学的局限性难点：了解相对论、量子力学与经典力学的关系教学方法讲授法、谈话法、练习法教学用具传统教室教学过程教学环节教师活动学生活动设计意图知识回顾带领学生回顾牛顿运动定律和万有引力定律。回顾牛顿运动定律和万有引力定律。本节课要讨论相对论时空观与牛顿力学的局限性，需要运用到这部分知识。新课引入经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更是科学史上最伟大的定律之一。通过前面的学习，我们知道从天体的运动到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，是不是任何情境下都遵从经典力学的规律呢?思考老师提出的问题。通过问题引发学生的思考从而引起学生学习的兴趣。新课讲授一、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。在牛顿力学时空观里，时间像一条看不见的“长河”，均匀地自行流逝着，空间像一个广阔无边的房间，它们都不影响物体及其运动。思考1：若河中的水以相对于岸的速度v水流动，河中的船以相对水的速度v舟顺流运动，则船相对岸的速度是多少？v=v水+v舟思考2：设想人类可以利用飞船以0.2c的速度进行星际航行。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的速度是多少？不是1.2c，还是c。问题的答案似乎应为1.2c，然而，事实并非如此！因为经典力学不再适用。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。解牛顿力学时空观，并思考两个问题。认识到经典力学的局限性，并开始学习相对论时空观。通过两个问题，让学生发现经典力学在这两个问题中不再适用。从而引出相对论时空观。新课讲授二、相对论时空观引导学生思考课本上的问题：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?让学生阅读教材，寻找答案。在学生思考之后，教师解释道：1887年的迈克耳孙--莫雷实验以及其他一些实验表明:在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的，所以证明电磁波的传播速度等于光速c，无论对于哪个参考系而言都是一样的。思考课本上的问题，阅读教材寻找答案。理解迈克耳孙--莫雷实验的结论。让学生思考教材中的问题，并初步认识相对论时空观。1.为了解决上述矛盾，爱因斯坦提出了两个假设，向学生介绍爱因斯坦的两个假设：（1）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。（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.接着，介绍相对时空观的内容：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关。思考讨论：在经典物理学中，如果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，如果按照爱因斯坦的两个假设，结论还是这样吗？根据爱因斯坦假设：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的，两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中不一定也是同时的。并通过一个例子来解释相对时空观。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，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：因为车厢是个惯性系，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。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Δτ，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，则Δt=由于1-(vc)4、长度收缩效应如果与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以v相对杆运动的人测得杆长是l，那么两者之间的关系是l由于1-(vc)上两式表明：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。1.了解爱因斯坦的两个假设；2.了解相对时空观的内容，并思考“思考与讨论”部分的问题。3.通过爱因斯坦的火车实验，解释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。4.了解与经典力学不同的时间延缓效应和长度收缩效应。详细介绍相对论时空观的内容。三．牛顿力学的成就与局限性1、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，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，是人类对自然界认识的第一次大综合，是人类认识史上的一次重大飞跃。2、牛顿力学的局限性（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。了解牛顿力学虽然有一定局限，但是它有着伟大的成就。感受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。课堂练习1.牛顿定律能适用于下列哪些情况?A、研究原子中电子的运动B、研究“神州”五号的高速发射C、研究地球绕太阳的运动D、研究飞机从深圳飞往北京的航线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．地球表面上的物质世界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