資源簡介

教學(xué)設(shè)計(jì)
課程基本信息
學(xué)科 物理 年級 高一 學(xué)期 春季
課題 相對論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性
教學(xué)目標(biāo)
1.物理觀念：了解相對論-量子論的建立對人類深入認(rèn)識客觀世界的作用，知道物理學(xué)改變?nèi)藗兪澜缬^的作用。 2.科學(xué)思維：經(jīng)歷科學(xué)家建立相對論和量子論的思維探索過程，認(rèn)識科學(xué)思維的意義。 3.科學(xué)探究：通過閱讀課文體會(huì)一切科學(xué)都有自己的局限性，新的理論會(huì)不斷完善和補(bǔ)充舊的理論，人類對科學(xué)的認(rèn)識是無止境的。 4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過對牛頓力學(xué)適用范圍的討論，使學(xué)生知道物理中的結(jié)論和規(guī)律一般都有其適用范圍，認(rèn)識知識的變化性和無窮性，培養(yǎng)獻(xiàn)身于科學(xué)的時(shí)代精神。
教學(xué)內(nèi)容
教學(xué)重點(diǎn)： 1.了解經(jīng)典力學(xué)的局限性
2.了解相對論時(shí)空觀和牛頓力學(xué)時(shí)空觀的區(qū)別
教學(xué)難點(diǎn)： 1.了解相對論、量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系 2.了解時(shí)間延緩效應(yīng)和長度收縮效應(yīng)
教學(xué)過程
教學(xué)環(huán)節(jié) 教師活動(dòng) 學(xué)生活動(dòng) 設(shè)計(jì)意圖
導(dǎo)入新課 我們先來看一個(gè)關(guān)于衛(wèi)星導(dǎo)航的視頻。為什么衛(wèi)星的時(shí)間流逝和地面不同步呢，這與相對論又有什么關(guān)系？學(xué)完本節(jié)課相信你會(huì)有所發(fā)現(xiàn)。 觀看衛(wèi)星導(dǎo)航視頻，了解定位需要四顆衛(wèi)星，了解應(yīng)用相對論能夠修正時(shí)間 通過問題引發(fā)學(xué)生的思考從而引起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣
講授新課 我們先來看一個(gè)生活中的運(yùn)動(dòng)情境，按兩下，火車的速度是180km/h，如果車上列車員以1m/s的速度沿車廂同向前進(jìn)，相對于地面靜止的觀察者看到列車員的速度是多大？列車員相對于火車的速度加上火車相對于地面的速度就是列車員相對于地面的速度了，大小為51米每秒。 我們再來看一個(gè)煙花爆炸的情境，火球在空中爆炸后，多個(gè)小光球向四面八方運(yùn)動(dòng)，形成漂亮的球形煙花，火球爆炸的瞬間，觀察者與爆炸點(diǎn)距離為ｄ，各小光球速度均為ｖ ，如果光速是遵循速度疊加規(guī)則的，那么哪個(gè)小光球發(fā)出的光最先被觀察者看見？ 哪個(gè)小光球發(fā)出的光最后被觀察者看見？請你導(dǎo)出時(shí)間差表達(dá)式。 假設(shè)光速遵循速度疊加規(guī)則，朝a方向運(yùn)動(dòng)的小光球發(fā)出的光到達(dá)觀察者的時(shí)間為，d除以c與v的差值，朝b方向運(yùn)動(dòng)的小光球發(fā)出的光到達(dá)觀察者的時(shí)間為，d除以c與v的之和，兩束光到達(dá)觀察者的時(shí)間差值為，2dv除以c方減去v方。根據(jù)這個(gè)結(jié)果，觀察者能明顯看到，先亮和后亮嗎？顯然v遠(yuǎn)小于c，很難觀察到。要使時(shí)間差能夠被人眼區(qū)分，d、v應(yīng)該滿足什么條件？很好，觀察者距離爆炸點(diǎn)應(yīng)該足夠遠(yuǎn)，同時(shí)拋出的小光球的速度應(yīng)該足夠大。 師：宇宙中剛好有這么一個(gè)例子，約6500光年外的蟹狀星云是超新星爆發(fā)形成的，爆發(fā)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度大約是光速的兩百分之一。如果光速遵循速度疊加規(guī)則，天文學(xué)家計(jì)算得到光到達(dá)地球的時(shí)間差應(yīng)該為50年，但在實(shí)際的觀測中沒有發(fā)現(xiàn)這樣的證據(jù)，中國宋朝的記載是23天。 師：通過兩個(gè)情境的比較，大家有什么疑問嗎？停頓三秒，為什么光速不遵循速度疊加規(guī)則？光速C本身是相對于哪個(gè)參考系的？ 早在19世紀(jì)，按1下，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)了這個(gè)問題，光速c由麥克斯韋方程推導(dǎo)出，按1下，但是麥克斯韋方程并不滿足伽利略變換。部分科學(xué)家認(rèn)為光速是相對于以太（某種絕對靜止參考系）的速度，但是邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)并沒有找到以太，反而發(fā)現(xiàn)光速在不同參考系中都是不變的。 師：在實(shí)驗(yàn)事實(shí)面前，許多物理學(xué)家仍然立足在牛頓力學(xué)時(shí)空觀的基礎(chǔ)上，想通過一些理論上的修補(bǔ)工作，解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。以愛因斯坦和龐加萊，為代表的另一批物理學(xué)家，堅(jiān)決主張徹底放棄某些與實(shí)驗(yàn)事實(shí)不相符的觀念，在實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上，大膽提出，能夠更好地解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的假設(shè)。 師：我們一起來看看這樣一個(gè)思維實(shí)驗(yàn)，如果你身處一列看不見外界的車廂中，你能否通過身體的前傾和后仰判斷火車是靜止還是勻速運(yùn)動(dòng)呢？不管火車是靜止還是勻速運(yùn)動(dòng)，甚至無論勻速運(yùn)動(dòng)的速度是100碼還是200碼，你的身體都能保持直立。因此你不能通過身體的姿態(tài)判斷火車到底是靜止還是勻速，由此愛因斯坦提出了狹義相對論的假設(shè)之一：不同慣性參考系下物理規(guī)律形式相同。同時(shí)，愛因斯坦，假設(shè)任何慣性系中光速是相同的。 在經(jīng)典物理學(xué)家的頭腦中，如果兩個(gè)事件在一個(gè)參考系中是同時(shí)的，在另一個(gè)參考系中一定也是同時(shí)的。但是，如果接受了愛因斯坦的兩個(gè)假設(shè)，還是這樣嗎？我們來看這樣一個(gè)情境。一列火車以速度v相對地面高速運(yùn)動(dòng)，位于火車車廂正中間的光源，某一時(shí)刻發(fā)出了一個(gè)閃光。車上的觀察者看來，閃光是否同時(shí)到達(dá)前壁和后壁？顯然在車上的觀察者看來，光到達(dá)前后壁的距離相等，光速相同，所以兩束光同時(shí)到達(dá)前壁和后壁。與地面靜止的觀察者眼中，光剛從光源發(fā)出時(shí)，前壁與后壁離光源是否等距 顯然是等距的。經(jīng)過時(shí)間 t 后，前壁與后壁離光發(fā)出時(shí)的位置還等距嗎 t時(shí)間后，火車向前行駛一段距離，所以后壁離光發(fā)出時(shí)的位置更近。根據(jù)光速不變原理，靜止在地面的觀察者能看到光同時(shí)到達(dá)前壁與后壁嗎 不能，后壁距離光發(fā)出時(shí)的位置更近，光速相同，所以光先到達(dá)后壁。 師：光到達(dá)前后壁的時(shí)間間隔與火車相對于觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，所以時(shí)間間隔還是與物體運(yùn)動(dòng)無關(guān)的獨(dú)立存在嗎 看來完成某個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔就和光到達(dá)前壁與光到達(dá)后壁的時(shí)間間隔一樣，與物體相對于觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。在愛因斯坦兩個(gè)假設(shè)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到以下結(jié)論。 師：如果相對于地面以v 運(yùn)動(dòng)的慣性參考系上的人觀察到與其一起運(yùn)動(dòng)的物體完成某個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為t0，地面上的人觀察到該物體在同一地點(diǎn)完成這個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為t，那么兩者之間的關(guān)系是如下，由于分母總是小于1，因此時(shí)間t總是大于t0，此種情況稱為時(shí)間延緩效應(yīng)。除了時(shí)間觀念，你認(rèn)為空間距離是否也會(huì)與物體的運(yùn)動(dòng)有關(guān) 師：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(yùn)動(dòng)的人測得桿長是 l，那么兩者之間的關(guān)系如下，同樣l總是小于l0，此種情況稱為長度收縮效應(yīng)。下圖直觀的展現(xiàn)了地面觀察者看到的不同速度下的火箭尺寸。 看起來如此不可思議的相對論效應(yīng)是否得到實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證了呢？我們一起觀看視頻尋找答案。看來飛機(jī)上銫原子鐘的時(shí)間延緩與觀測到的繆子壽命延長確實(shí)驗(yàn)證了狹義相對論的準(zhǔn)確性。 師：當(dāng)高鐵列車以160km/h運(yùn)行時(shí)，車上乘客的時(shí)間流逝速度與靜止在地面上的人相同嗎？大家都坐過火車，并沒有觀察到時(shí)間流逝不一樣快。那為什么導(dǎo)航衛(wèi)星的時(shí)間流逝比地面上的慢，高鐵卻沒有？原來導(dǎo)航衛(wèi)星的運(yùn)行速度，大約為一萬四千千米每小時(shí)，這樣大的速度產(chǎn)生的時(shí)間延緩效應(yīng)需要用相對論修正。高鐵的速度相對于光速較小，相對論效應(yīng)不明顯。 師：在相對論之前，我們認(rèn)為運(yùn)動(dòng)物體的長度和物理過程的快慢都跟物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)，具有絕對性。它所反映的時(shí)空觀稱作絕對時(shí)空觀，現(xiàn)在我們知道絕對時(shí)空觀只適用于低速運(yùn)動(dòng)的物體。相對論之后，我們認(rèn)為運(yùn)動(dòng)物體的長度和物理過程的快慢都跟物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。它所反映的時(shí)空觀稱作相對論時(shí)空觀。當(dāng)物體做低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，相對論時(shí)空觀就退變成了，絕對時(shí)空觀。 閱讀理解情境，根據(jù)伽利略變換，計(jì)算列車員相對地面的速度 理解、構(gòu)建模型，計(jì)算時(shí)間差 對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行思考 思考為什么當(dāng)d、v足夠大時(shí)，還是沒有計(jì)算中的時(shí)間差，是哪里出了問題？ 思考，是不是假設(shè)出了問題？為什么光速不滿足伽利略變換 了解科學(xué)史實(shí)，體會(huì)愛因斯坦、龐加萊等科學(xué)家的科學(xué)主張，體會(huì)科學(xué)理論發(fā)展的規(guī)律。 積極參與思維實(shí)驗(yàn)，體會(huì)到相對性原理的準(zhǔn)確性。 應(yīng)用相對論的兩個(gè)假設(shè)計(jì)算在兩個(gè)參考系中的觀察者觀察到光到達(dá)前后壁的時(shí)間差 通過計(jì)算結(jié)果體會(huì)時(shí)間延緩效應(yīng)與長度縮短效應(yīng) 觀看視頻，了解銫原子鐘實(shí)驗(yàn)以及μ子壽命延長現(xiàn)象對于相對論的論證，體會(huì)相對論時(shí)空觀與經(jīng)典時(shí)空觀的不同 引入伽利略變換事例，為之后引出矛盾，從而引出相對論做準(zhǔn)備 假設(shè)光速滿足伽利略變換，引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)兩次光的時(shí)間差，為下個(gè)環(huán)節(jié)做鋪墊。 引導(dǎo)學(xué)生計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)d、v不夠大時(shí)人眼無法分辨時(shí)間差。 引入宇宙蟹狀星云爆炸，d、v都很大，但是時(shí)間差依舊不明顯，引起學(xué)生思考，到底哪里出了問題，難道光速不滿足伽利略變換？ 引出光速不滿足伽利略變換 幫助學(xué)生了解相對論建立之前經(jīng)典物理學(xué)的兩朵烏云之一，為相對論假設(shè)的建立提供依據(jù) 引導(dǎo)學(xué)生通過生活實(shí)際理解相對性原理。 引導(dǎo)學(xué)生通過情景計(jì)算體會(huì)同時(shí)的相對性 引導(dǎo)學(xué)生了解鐘慢與尺縮的公式，會(huì)進(jìn)行簡單的應(yīng)用計(jì)算 引導(dǎo)學(xué)生了解任何物理理論的發(fā)展都需要實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。
歸納總結(jié) 師：除了高速運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域，牛頓力學(xué)在其他方面是否也有局限性？其實(shí)微觀粒子，運(yùn)動(dòng)也不能用牛頓力學(xué)來說明。20 世紀(jì) 20 年代，量子力學(xué)建立了，它能夠很好地描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要作用。那是不是說明牛頓力學(xué)過時(shí)了 我們是否仍要學(xué)習(xí)牛頓力學(xué)呢 基于實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的牛頓力學(xué)不會(huì)被新的科學(xué)成就所否定，而是作為某些條件下的特殊情形，被包括在新的科學(xué)成就之中。 師：牛頓力學(xué)取得的偉大成就有哪些 從地面上物體的運(yùn)動(dòng)到天體的運(yùn)動(dòng)，從攔河筑壩、修建橋梁到設(shè)計(jì)各種機(jī)械，從自行車到汽車、火車、飛機(jī)等現(xiàn)代交通工具的運(yùn)動(dòng)，從投出籃球到發(fā)射導(dǎo)彈、人造地球衛(wèi)星、宇宙飛船……所有這些都服從牛頓力學(xué)的規(guī)律。在如此廣闊的領(lǐng)域里與實(shí)際相符合，顯示了牛頓運(yùn)動(dòng)定律的正確性和牛頓力學(xué)的魅力。 師：回過頭看相對論等理論的發(fā)展歷程，你覺得科學(xué)理論的發(fā)展有何特點(diǎn) 科學(xué)理論具有相對穩(wěn)定性，又是不斷發(fā)展的，人類對自然的探索是永無止境的，每一代人都有繼續(xù)探究的責(zé)任。 師：最后做個(gè)小結(jié)，本節(jié)課我們一起感受了牛頓力學(xué)在高速世界與事實(shí)的矛盾，知道了牛頓力學(xué)只適用于低速、宏觀物體的運(yùn)動(dòng)。也知道了相對論、量子論有助于人類認(rèn)識高速、微觀領(lǐng)域，科學(xué)真理是相對的，未知世界必將在人類不懈探索中被揭開更多的謎底。這是本節(jié)課的課后實(shí)踐任務(wù)，請大家認(rèn)真完成。謝謝觀看，同學(xué)們再見。 體會(huì)經(jīng)典力學(xué)在微觀和高速領(lǐng)域的局限性，回顧經(jīng)典力學(xué)取得的偉大成就，體會(huì)人類探索真理的艱辛與責(zé)任感 引導(dǎo)學(xué)生回顧經(jīng)典力學(xué)的偉大成就，堅(jiān)定學(xué)習(xí)經(jīng)典力學(xué)的信心，引發(fā)學(xué)生對未知的世界的探索欲望。

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