資源簡介

課題 7.5相對論時空觀與牛頓力學的局限性
教材 章節 必修二第七章第五節 課型 新授課
授課 時間 授課 地點
教 材 分 析 本節的地位和作用： 本節課是人教版高中物理必修二第七章第5節，本節是學習完經典力學以后所做的介紹性質內容，它可以拓展學生的知識面、展示科學探究的無限可能，建立科學思想、科學的思維方法，培養科學精神，在情感、態度與價值觀方面發揮應有的教育功能。 教材內容分析： 本節教材先介紹高速運動的物體運動時牛頓力學體系不成立，并給出了質量隨速度變化關系。接下來介紹從宏觀到微觀的變化，介紹了量子化現象。最后介紹從弱力到強力，廣義相對論的基礎。把這么多內容安排到一節重點不在對相對論和量子力學知道多少，而在于讓學生體會任何科學都有局限性，并不是牛頓力學過時了，要理解各自成立的條件。
學 情 分 析 學生已經學習過經典力學的理論和時空觀，聽說過相對論和量子力學。對本節的知識有一定的了解，對這部分內容也充滿了興趣。但是由于相對論時空觀和量子化現象內容十分抽象，學生們在實際生活中沒有接觸過，所以對于學生來說，本節課的內容是比較難理解的。
教 學 目 標 物理觀念： 1．知道以牛頓運動定律為基礎的經典力學的適用范圍。 2．知道相對論、量子力學和經典力學的關系。 3．通過對牛頓力學適用范圍的討論，使學生知道物理中的結論和規律一般都有其適用范圍，認識知識的變化性和無窮性，培養獻身于科學的時代精神。 科學思維： 通過閱讀夾體會一切科學都有自己的局限性，新的理論會不斷完善和補充舊的理論，人類對科學的認識是無止境的。 科學態度與責任： 通過對牛頓力學適用范圍的討論，使學生知道物理中的結論和規律一般都有其適用范圍，認識知識的變化性和無窮性，培養獻身于科學的時代精神。
重 點 與 難 點 重點： 了解經典力學的局限性 難點： 了解相對論、量子力學與經典力學的關系
教 學 方 法 講授法、談話法、練習法
教 學 用 具 傳統教室
教 學 過 程
教學 環節 教師活動 學生活動 設計意圖
知識回顧 帶領學生回顧牛頓運動定律和萬有引力定律。 回顧牛頓運動定律和萬有引力定律。 本節課要討論相對論時空觀與牛頓力學的局限性，需要運用到這部分知識。
新課引入 經典力學的基礎是牛頓運動定律，萬有引力定律更是科學史上最偉大的定律之一。 通過前面的學習，我們知道從天體的運動到地面上的各種物體的運動，從大氣的流動到地殼的變動，所有這些都服從經典力學規律。那么，是不是任何情境下都遵從經典力學的規律呢 思考老師提出的問題。 通過問題引發學生的思考從而引起學生學習的興趣。
新課講授 一、牛頓力學時空觀 1、牛頓力學時空觀 時間與空間都是獨立于物體及其運動而存在的。這種絕對時空觀，也叫牛頓力學時空觀。 在牛頓力學時空觀里，時間像一條看不見的“長河”，均勻地自行流逝著，空間像一個廣闊無邊的房間，它們都不影響物體及其運動。 思考1：若河中的水以相對于岸的速度v水流動，河中的船以相對水的速度v舟順流運動，則船相對岸的速度是多少？ v=v水+v舟 思考2：設想人類可以利用飛船以0.2c的速度進行星際航行。若飛船向正前方的某一星球發射一束激光，該星球上的觀察者測量到的激光的速度是多少？ 不是1.2c，還是c。 問題的答案似乎應為1.2c，然而，事實并非如此！因為經典力學不再適用。經典力學只適用于解決低速運動問題，不能用來處理高速運動問題，要解決這一問題就需要用到相對論時空觀。 解牛頓力學時空觀，并思考兩個問題。 認識到經典力學的局限性，并開始學習相對論時空觀。 通過兩個問題，讓學生發現經典力學在這兩個問題中不再適用。從而引出相對論時空觀。
新課講授 二、相對論時空觀 引導學生思考課本上的問題： 19世紀，英國物理學家麥克斯韋根據電磁場理論預言了電磁波的存在，并證明電磁波的傳播速度等于光速C這個速度是相對哪個參考系而言的 讓學生閱讀教材，尋找答案。 在學生思考之后，教師解釋道： 1887年的邁克耳孫--莫雷實驗以及其他一些實驗表明: 在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的，所以證明電磁波的傳播速度等于光速c，無論對于哪個參考系而言都是一樣的。 思考課本上的問題，閱讀教材尋找答案。理解邁克耳孫--莫雷實驗的結論。 讓學生思考教材中的問題，并初步認識相對論時空觀。
1.為了解決上述矛盾，愛因斯坦提出了兩個假設，向學生介紹愛因斯坦的兩個假設： （1）相對性原理：在不同的慣性參考系中，物理規律的形式都是相同的。 （2）光速不變原理：真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的。 2.接著，介紹相對時空觀的內容： 認為時間和空間是相互聯系、相互影響的，并且與物質的存在及運動有關。 思考討論：在經典物理學中，如果兩個事件在一個參考系中是同時的，在另一個參考系中一定也是同時的。但是，如果按照愛因斯坦的兩個假設，結論還是這樣嗎？ 根據愛因斯坦假設：真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的，兩個事件在一個參考系中是同時的，在另一個參考系中不一定也是同時的。 并通過一個例子來解釋相對時空觀。 例如：假設一列火車沿平直軌道飛快地勻速行駛。車廂中央的光源發出了一個閃光，閃光照到了車廂的前壁和后壁。 （1）車上的觀察者以車廂為參考系，閃光到達前后兩壁的時間相同嗎？ （1）車下的觀察者來說，以地面為參考系，閃光到達前后兩壁的時間相同嗎？ 甲 參考答案： （1）如圖甲所示：因為車廂是個慣性系，閃光向前、后傳播的速率相同，光源又在車廂的中央，閃光當然會同時到達前后兩壁。 根據愛因斯坦的假設：真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的，所以他以地面為參考系，閃光向前、后傳播的速率對地面也是相同的。 在閃光飛向兩壁的過程中，車廂向前行進了一段距離，所以向前的光傳播的路程長些即：閃光先到達后壁，后到達前壁因此，這兩個事件不是同時發生的。 3、時間延緩效應 如果相當于地面以運動的慣性參考系上的人觀察到與其一起運動的物體完成某個動作的時間間隔為Δτ，地面上的人觀察到該物體在同一地點完成這個動作的時間間隔為Δt，則 由于<1，所以總有Δt>Δτ，此種情況稱為時間延緩效應。 4、長度收縮效應 如果與桿相對靜止的人測得桿長是l0，沿著桿的方向，以v相對桿運動的人測得桿長是l，那么兩者之間的關系是 由于<1，所以總有，此種情況稱為長度收縮效應。 上兩式表明：運動物體的長度（空間距離）和物理過程的快慢（時間進程）都跟物體的運動狀態有關。 這個結論具有革命性的意義，它所反映的時空觀稱作相對論時空觀。 1.了解愛因斯坦的兩個假設； 2.了解相對時空觀的內容，并思考“思考與討論”部分的問題。 3.通過愛因斯坦的火車實驗，解釋根據愛因斯坦的假設：真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的，所以他以地面為參考系，閃光向前、后傳播的速率對地面也是相同的。 在閃光飛向兩壁的過程中，車廂向前行進了一段距離，所以向前的光傳播的路程長些即：閃光先到達后壁，后到達前壁因此，這兩個事件不是同時發生的。 4.了解與經典力學不同的時間延緩效應和長度收縮效應。 詳細介紹相對論時空觀的內容。
三．牛頓力學的成就與局限性 1、牛頓力學的成就 （1）經典力學的基礎是牛頓運動定律，牛頓運動定律和萬有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊區域，包括天體力學的研究中，經受了實踐的檢驗，取得了巨大的成就。 （2）牛頓運動三定律和萬有引力定律把天體的運動與地面上物體的運動統一起來，是人類對自然界認識的第一次大綜合，是人類認識史上的一次重大飛躍。 2、牛頓力學的局限性 （1）物體在以接近光速運動時所遵從的規律，有些是與牛頓力學的結論并不相同的。所以經典力學只適用于物體的低速運動。 （2）在微觀世界中，發現了電子、質子、中子等微觀粒子，而且發現它們不僅具有粒子性，同時還具有波動性，量子力學能很好地描述微觀粒子的運動規律。經典力學不適用于微觀領域中物質結構和能量不連續的現象 （3）經典力學規律只在慣性參考系中成立，經典力學規律只能用于宏觀、低速（與光速相比）的情形，且只在慣性參考系中成立。 了解牛頓力學雖然有一定局限，但是它有著偉大的成就。 感受牛頓力學在如此廣闊的領域里與實際相符合，顯示了牛頓運動定律的正確性和牛頓力學的魅力。
課堂練習 1.牛頓定律能適用于下列哪些情況 A、研究原子中電子的運動 B、研究“神州”五號的高速發射 C、研究地球繞太陽的運動 D、研究飛機從深圳飛往北京的航線 1．經典力學只適用于“宏觀世界”，這里的“宏觀世界”是指（ ） A．行星、恒星、星系等巨大的物質領域 B．地球表面上的物質世界 C．人眼能看到的物質世界 D．不涉及分子、原子、電子等微觀粒子的物質世界 思考老師提出的問題，并理解題目中所蘊含的物理知識。 1.選BCD 牛頓力學屬于經典力學的研究范疇，適用于宏觀、低速運動的物體，并注意到低速和高速的標準是相對于光速，可判定牛頓定律適用于B、C、D中描述的運動，而A不適用。 2.選D 根據中學物理中的規定，微觀世界通常是指分子、原子等粒子層面的物質世界，而除微觀世界以外的物質世界被稱為宏觀世界。
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