資源簡介

7.5相對論時空觀與牛頓力學的局限性的教案
【教學目標】
一、教學目標
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。
二、核心素養
物理觀念：了解相對論-量子論的建立對人類深入認識客觀世界的作用，知道物理學改變人們世界觀的作用。
科學思維：經歷科學家建立相對論和量子論的思維探索過程，認識科學思維的意義。
科學探究：通過閱讀課文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
【教學重難點】
教學重點：1.狹義相對論的兩個基本假設；
2.了解時間延緩效應和長度收縮效應。
教學難點：經典力學與相對論力學、量子力學的理解。
【新課導入】
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？
【教師引導】生活經驗讓我們體會到，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。也就是說，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。
【新課講解】
相對論時空觀
教師闡述：牛頓力學理論之所以為人們接受承認，一方面是牛頓力學在解決力學問題獲得的巨大成功；另一方面觀察結果與人們的經驗相符。但是十九世紀中葉，人們在研究與物體運動有關的電磁現象時，發現在電磁現象的規律不符合相對性原理。
學生快速瀏覽教材第65頁最后兩自然段的內容，討論思考分析。
教師投放內容并解釋：在不同的參考系中，測得的光在真空的速率都是相同的。這一結論還特別為后來的很多精確的實驗所證實，最著名的是1887年邁克爾遜和莫雷所做的實驗。它們都明確無誤地證明光速的測量結果與光源和測量者的相對運動無關，亦即與參考系無關。
牛頓力學理論與電磁波理論的矛盾與沖突，促使人們思考下述問題：絕對時空觀的觀念是不是需要修正
1.愛因斯坦的假設
20世紀最偉大的科學家愛因斯坦對這個問題進行了深入研究，并在1905年發表了論文《論動體的電動力學》在這篇論文里對上述問題作出了對整個物理學界乃至整個科學界都有變革意義的回答。在這篇論文中，愛因斯坦提出了兩個假設：
(1)在不同的慣性參考系中，物理規律的形式都是相同的——愛因斯坦相對性原理；
(2)真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的——光速不變原理。
愛因斯坦相對性原理和牛頓相對性原理比較，前者是后者的推廣，這就使得相對性原理不僅適用于力學現象，而且適用于所有物理現象，包括電磁現象在內。
愛因斯坦的光速不變原理告訴我們，不管光源與觀察者的相對運動如何，在任一慣性系中的觀察者所觀測到的真空中的光速都是相等的。
學生閱讀教材，結合剛才的分析，討論交流，完成下表：
(3)觀念上的變革
經典時空觀 狹義相對論時空觀
光速 相對的 絕對的（不變）
同時 絕對的 相對的
時間與空間 與運動無關，絕對的 與運動有關，相對的
質量 與運動無關，不變的 隨速度增加而增大（相對的）
2.同時相對性
教師通過多媒體投放圖片，引導學生閱讀教材第66~67頁內容，思考討論：
設想一列火車以速度v勻速向右運動，火車中央有一信號燈，在某時發出一光信號。甲乙兩人觀察到的現象是否相同？
學生相互交流討論，在教師引導下得出結論：
（1）沿兩慣性系相對運動方向發生的兩個事件，在其中一個慣性系中表現同時，在另一慣性系中觀察總是在前一慣性系運動的后方那一事件先發生。
（2）對不同參考系，同樣兩事件之間的時間間隔是不同的。即：時間量度是相對的，并且與相對運動速度有關。
通過學生閱讀教材以及相互討論，師生共同梳理知識。
3.時間延緩效應
如果相對于地面以v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，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，那么兩者之間的關系是：，由于，所以總有，此種情況稱為時間延緩效應。
4.長度收縮效應(動尺變短)
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：，由于，所以總有l< l0，此種情況稱為長收縮效應。
特別注意：長度收縮效應只發生在相對運動的方向上。
（三）牛頓力學的成就與局限性
教師投放問題，引導學生閱讀教材第68頁并思考問題：
（1）牛頓力學取得了哪些輝煌的成就？舉例說明。
（2）牛頓力學在哪些領域不能適用？能說出為什么嗎？舉例說明。
（3）牛頓力學的適用范圍是什么？自己概括一下
（4）相對論和量子力學的出現是否否定了牛頓力學 應該怎樣認識
學生閱讀教材，分組討論，代表發言。
教師傾聽學生代表的發言，和其他學生一起點評、補充。
牛頓力學的成就與局限性
像一切科學一樣，牛頓力學沒有也不會窮盡一切真理，它也有自己的局限性。它像一切科學理論一樣，是一部“未完成的交響曲”。
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。
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
2、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。
說明
（1）基于實驗檢驗的牛頓力學不會被新的科學成就所否定，而是作為某些條件下的特殊情形，被包括在新的科學成就之中。
（2）當物體的運動速度遠小于光速c時（c＝3×108m/s），相對論物理學與經典物理學的結論沒有區別；
（3）當另一個重要常數即普朗克常量h可以忽略不計時
（h＝6.63×10-34J·s），量子力學和牛頓力學的結論沒有區別。
（4）相對論與量子力學都沒有否定過去的科學，而只認為過去的科學是自己在一定條件下的特殊情形。
科學漫步1．宇宙的起源與演化
我們的宇宙是在約138億年以前從一個尺度極小的狀態發展演化來的。在這個過程中，宇宙的溫度從高到低，先是生成一些基本粒子形態的物質，接著產生了原子、分子等各種物質，物質再進一步聚集起來形成星系，成為我們今天看到的宇宙。
出示圖片：普朗克探測器記錄下的微波天空
2．恒星的演化
閱讀課文說一說恒星是如何誕生的？
根據大爆炸宇宙學，大爆炸10萬年后，溫度下降到了3000K左右，出現了由中性原子構成的宇宙塵埃。由于萬有引力的作用，形成了更密集的塵埃。塵埃像滾雪球一樣越滾越大，形成了氣體狀態的星云團。星云團的凝聚使得溫度升高，到一定程度星云團就開始發光，于是，恒星誕生了。
【板書】
7.5 相對論時空觀與牛頓力學的局限性
一、絕對時空觀
1.慣性參考系：牛頓定律適用的參考系；相對慣性系做勻速直線運動的參考系。
2.對于任何慣性參考系，牛頓定律都成立，這也就是說，對于不同的慣性參考系，力學的基本定律——牛頓定律的形式是一樣的。
3.絕對時空觀：時間和空間都是獨立于物體及其運動而存在的，即時間和空間不受物體和運動的影響。①同時絕對性；②時間間隔的絕對性；③空間距離的絕對性；④質量恒定不變。
二、相對時空觀
1.愛因斯坦假設：
(1)在不同的慣性參考系中，物理規律的形式都是相同的；
(2)真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的。
2.時間延緩效應：
3.長度收縮效應：
三、牛頓力學的成就與局限性
1.牛頓力學只適用于處理物體的低速運動()。
2.牛頓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.牛頓力學規律只在慣性參考系中成立。

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