《7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性》教学设计课
题
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相对论时空观与牛顿力学的局限性单元7年级高一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
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。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
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，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。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认识客观世界的作用，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，认识科学思维的意义。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。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基础是牛顿运动定律，万有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？学生回顾已学知识并思考通过问题引发学生的思考从而引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。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。所以不管选什么参考系，不管物体怎么运动，物体的时间、长度、质量等等的测量结果肯定是一样的。思考1：若河中的水以相对于岸的速度v水岸流动，河中的船以相对于水的速度v船水顺流而下，则船相对于岸的速度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。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否为1.2c？出示图片：飞船向正前方的某一星球发射一束激光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。二、相对论时空观思考：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
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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？出示图片：麦克斯韦英国物理学家、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—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。1、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；表明在任何惯性系中研究某个物体的某一运动过程，其运动规律形式不变。（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。表明了经典时空观与相对论时空观的不同。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。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，则由于1－<1，所以总有Δt>Δτ，此种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由于1－<1，所以总有l
总结
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牛顿力学的成就以及它的局限性阅读理解说明学读课文回答问题学生练习让学生通过自主阅读获取信息，培养学生阅读理解能力，同时培养学生良好的自学习惯。锻炼学生的逻辑思维能力了解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了解不同的参考系中，光的传播速度都是一样的掌握爱因斯坦的两个假设：相对性原理和光速不变原理通过课文上的举例理解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，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掌握时间具有延缓效应掌握长度收缩效应锻炼学生的自主学习能力锻炼学生计算以及合作交流能力理解时间的延迟性与速度有关拓展学生的知识面锻炼学生的总结以及语言表达能力和理解能力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巩固本节知识课堂小结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，不能用来处理高速运动问题，经典力学只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子：经典力学只适用于解决弱引力问题，不能用来处理强引力问题。梳理自己本节所学知识进行交流根据学生表述，查漏补缺，并有针对性地进行讲解补充。板书一、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。二、相对论时空观1、爱因斯坦的两个假设（1）相对性原理（2）光速不变原理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关。3、时间延缓效应4、长度收缩效应三、牛顿力学的成就与局限性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。《7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性》导学案【学习目标】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。【学习重点】了解经典力学的局限性【学习难点】了解相对论、量子力学与经典力学的关系【新知探究】一、自主学习1．“同时”的相对性（1）经典物理学认为：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________的。（2）狭义相对论的时空观认为：同时是________的，即在同一个参考系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个参考系中不一定是________的。2．时间间隔的相对性（1）经典物理学认为：某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔总是________的。（2）相对论的时空观：某两个事件，在不同的惯性参考系中观察，它们的时间间隔是________的。设表示相对事件发生地静止的惯性系中观测的两事件的时间间隔，表示相对事件发生地以速度v高速运动的参考系中观测的同样两事件的时间间隔，则它们的关系是________，即运动时钟会变慢。3．长度的相对性（1）经典的时空观：一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同。（2）相对论的时空观：“长度”也具有相对性，一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比静止时的长度小。与杆相对静止的人认为杆长为，与杆相对运动的人认为杆长是，那么两者之间的关系是________，即运动长度会收缩。二、合作学习【问题1】经典力学在哪些领域不能适用？能说出为什么吗？举例说明。结论：经典力学在微观领域和高速运动领域不再适用；在不同参考系中不能适用；在强引力的情况下，经典的引力理论也是不适用的。因为微观粒子（如电子、质子、中子）在运动时不仅具有粒子性，而且还具有波动性，经典力学不能说明这种现象，所以它不再适用，同时在高速运动领域，由于物体运动速度太快，要导致质量发生变化，而经典力学认为质量是不变的，所以经典力学在高速运动领域内也不再适用。【问题2】经典力学的适用范围是什么？结论：宏观物体，低速运动。【问题3】相对论和量子力学的出现是否否定了牛顿的经典力学？应该怎样认识？结论：相对论和量子力学的出现并没有否定牛顿的经典力学，它们只是在不同情况下采用的不同研究方法，经典力学在微观领域、高速运动的情况下不再适用，而量子力学也不适用于宏观、低速运动的物体。【学习小结】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，不能用来处理高速运动问题，经典力学只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子：经典力学只适用于解决弱引力问题，不能用来处理强引力问题。【精练反馈】1．判断下列说法是否正确。（1）一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，这是经典物理学家的观点。（√）（2）一根杆的长度静止时为，不管杆如何运动，杆的长度均小于。（×）（3）“动钟变慢”是时钟的精度因运动而发生了变化。（×）（4）长度、时间的测量结果会随物体与观察者的相对运动状态的改变而改变。（√）（5）高速运动的飞船中的宇航员发现地面的时钟变慢了。（√）（6）地面上的人认为两个事件同时发生，而高速运动的飞船中的宇航员却不这么认为。（√）2．物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识，推动了科学技术的创新和革命，促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步，下列表述正确的是（AD）A．牛顿发现了万有引力定律B．牛顿通过实验证实了万有引力定律C．相对论的创立表明经典力学已不再适用D．爱因斯坦建立了狭义相对论，把物理学推到高速领域3．20世纪以来，人们发现了一些新的事实，而经典力学却无法解释，经典力学只适用于解决物体低速运动的问题，不能用来处理高速运动的问题；只适用于宏观物体，不适用于微观粒子。这说明（BCD）A．随着认识的发展，经典力学已成了过时的理论B．人们对客观事物的具体认识，在广度上是有局限性的C．不同领域的事物各有其本质与规律D．人们应当不断扩展认识，在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律《7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性》分层作业(时间：15分钟 分值：50分)选择题(本题共10小题，每小题5分，共50分)1．(多选)关于时间和空间，在学习爱因斯坦假设相对论后我们应认识到( )A．因为时间是绝对的，所以我们在不同的参考系中观察到的时间进程都是相同的B．空间与时间之间是没有联系的C．有物质才有空间和时间D．在一个确定的参考系中观察，运动物体的空间距离和时间进程跟物体的运动状态有关CD [经典物理学认为空间和时间是脱离物质存在的，是绝对的，空间与时间之间是没有联系的，在相对论中，时间和空间是和物质的运动相联系的，只有在物质存在时才有空间和时间的概念，时间和空间是相互联系且是相对的．选项C、D正确．]2．关于经典力学和量子力学，下列说法中正确的是( )A．不论是对宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的B．量子力学适用于宏观物体的运动；经典力学适用于微观粒子的运动C．经典力学适用于宏观物体的运动；量子力学适用于微观粒子的运动D．上述说法都是错误的C [经典力学适用于低速、宏观物体，不适用于高速、微观粒子．量子力学不适用于宏观物体，适用于微观粒子，故选项C正确．]3．下列说法正确的是( )A．牛顿运动定律就是经典力学B．经典力学的基础是牛顿运动定律C．牛顿运动定律可以解决自然界中所有的问题D．经典力学可以解决自然界中所有的问题B [经典力学并不等于牛顿运动定律，牛顿运动定律只是经典力学的基础．经典力学并非万能，也有其适用范围，它并不能解决自然界中所有的问题，没有哪个理论可以解决自然界中所有的问题．因此，B正确．]4．经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动，这里的“高速”是指( )A．声音在空气中的传播速度B．第一宇宙速度C．高铁列车允许行驶的最大速度D．接近真空中光的传播速度D [这里的“高速”是指接近真空中光的传播速度，故D正确，A、B、C错误．]5．下列关于经典力学和相对论的说法，正确的是( )A．经典力学和相对论的研究领域没有交集B．相对论是在否定了经典力学的基础上建立起来的C．相对论和经典力学是两种不同的学说，二者没有联系D．经典力学包含于相对论之中，经典力学是相对论的特例D [相对论的建立并没有否定经典力学，而是认为经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形，选项A、B、C错误，D正确．]6．(多选)关于牛顿物理学与相对论，下列说法正确的是( )A．相对论研究的是物体在低速运动时所遵循的规律B．相对论研究的是物体在高速运动时所遵循的规律C．牛顿物理学研究的是物体在低速运动时所遵循的规律D．牛顿物理学研究的是物体在高速运动时所遵循的规律BC [牛顿物理学的运动规律适用于低速、宏观物体，而爱因斯坦的相对论适用于高速、微观世界．]7．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、电子等微观粒子的物质世界D [前三个选项说的当然都属于“宏观世界”，但都很片面，没有全面描述，本题应选D.]8．一艘太空飞船静止时的长度为30m，他以0.6c(c为光速)的速度沿长度方向飞行越过地球，下列说法正确的是( )A．飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30mB．地球上的观测者测得该飞船的长度小于30mC．飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于cD．地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于cB [由l＝l0知A错误，B正确；由爱因斯坦假设知光信号的速度都等于c，C、D项错误．]9．假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是( )A．这个人是一个矮胖子B．这个人是一个瘦高个子C．这个人矮但不胖D．这个人瘦但不高D [取路旁的人为惯性系，车上的人相对于路旁的人高速运动，根据尺缩效应，人在运动方向上将变窄，但在垂直于运动方向上没有发生变化，故选项D正确．]10．如图所示，假设一根10m长的梭镖以光速穿过一根10m长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的．以下叙述中最好地描述了梭镖穿过管子情况的是( )A．梭镖收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它B．管子收缩变短，因此在某些位置上，梭镖从管子的两端伸出来C．两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管子恰好遮住梭镖D．所有这些都与观察者的运动情况有关D [如果你是在相对于管子静止的参考系中观察运动着的梭镖，那么梭镖看起来就比管子短，在某些位置梭镖会完全在管子内部．然而当你和梭镖一起运动时，你看到的管子就缩短了，所以在某些位置，你可以看到梭镖两端都伸出管子，则D正确，A、B、C错误．]1/18
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