資源簡介

課時教學設計
課題 第五節 相對論時空觀與牛頓力學的局限性
授課時間：2024年5月27日 課型：觀察探究課 課時：一課時
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
重點難點 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。
教學準備 1.圓周運動演示器 2.教學PPT課件
教學思路 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。通過這節課了解相對論-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。
教 學 過 程
活動設計 1.課前引導提問 3.研究牛頓定律的局限性 2.觀察牛頓定律的適用范圍 4.課堂練習
環節一：課前引導提問
教師活動：提問 我們學的牛頓定律哪一些？ 牛頓定律能解決全部自然現象么？ 你們聽過相對論么？ 牛頓定律的適用范圍是什么？ 學生活動：讓學生回答 1.力學中的三個定律和萬有引力定律。 2.不會的，高速度微粒子運動不適合牛頓定律 3. 學生思考回答 4. 低速宏觀世界
環節二：讓學生觀察以下圖
請同學們觀察這兩張圖，然后說出你們的想法
環節三：研究天體的半徑和線速度規律
一、導入新課： 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？ 二、進行新課 【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。 講授新課： （1）相對論時空觀 【教師引導】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。人們自然要問:這個速度是相對哪個參考系而言的？一些物理學家對這個問題進行了研究。在實驗研究中，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！這與牛頓力學中不同參考系之間的速度變換關系不符。 【教師補充】愛因斯坦假設:在不同的慣性參考系中，物理規律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的。 【教師提問】列車K的某車廂的中央發出了一個閃光，車廂中的人認為閃光同時到達了前后兩壁(事件A和B )。不同的是，列車K靜止在車站里，另一列車L從旁邊呼嘯而過。那么，在運動的列車L里，觀察者認為，沿著運動方向位置靠前一些的事件A先發生，還是靠后一些的事件B先發生 【教師補充引導】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。車上的觀察者以車廂為參考系，因為車廂是個慣性系，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(圖甲)。 對于車下的觀察者來說，他以地面為參考系，因閃光向前、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。他觀測到的結果應該是:閃光先到達后壁，后到達前壁(圖乙)。因此，這兩個事件不是同時發生的。 【學生小組交流】事件A先發生 【教師補充引導】在愛因斯坦兩個假設的基礎上，經過數學推導可以得到下述結果。 1、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△τ，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△t,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遲效應。 2、長度收縮效應 如果與桿相對靜止的人測得桿長是，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，所以總有，此種情況稱為長度收縮效應。 【教師總結】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。 【思考與討論】已知μ子低速運動時的平均壽命是3.0。當;子以0.99C的速度飛行，若選擇μ子為參考系，此時μ子的平均壽命是多少？對于地面上的觀測者來說，平均壽命又是多少？ 【解答】若選擇以μ子為參考系，μ子做低速運動，平均壽命為3.0。對于地面觀察者來說，μ子高速飛行，平均壽命。 【教師總結】高速運動的μ子壽命變長這一現象，用經典理論無法解釋，用相對論時空觀可得到很好的解釋。這一研究結果成了相對論時空觀的最早證據。 （2）牛頓力學的成就與局限性 【教師引導】牛頓力學的基礎是牛頓運動定律，萬有引力定律的建立是確立了人們對牛頓力學的尊敬。 經典力學的巨大成就： （1）從地面上物體的運動到天體的運動。 （2）從大氣的流動到地殼的變動。 （3）從攔河筑壩、修建橋梁到設計各種機械。 （4）從自行車到汽車、火車、飛機等現代交通工具的運動。 （5）從投出籃球到發射導彈、人造衛星、宇宙飛船…… 【學生思考】牛頓運動定律的適用范圍 【教師補充引導】宏觀：能用通常方法測量與觀察的物體。 低速：遠小于光速的速度 弱引力:物體的半徑遠小于引力半徑時物體之間存在的作用力。 【教師提問】何為高速？何為低速？ 【學生思考】 低速:遠小于光速的速度為低速，通常所見的物體的運動，如行駛的汽車、發射的導彈、人造地球衛星及宇宙飛船等物體的運動皆為低速運動。 高速:有些微觀粒子在一定條件下其速度可以與光速相接近，這樣的速度稱為高速。 【教師總結】除了高速運動，牛頓力學在其他方面是否也有局限性 19世紀末和20世紀初，物理學研究深入到微觀世界，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，它們的運動規律在很多情況下不能用牛頓力學來說明。20世紀20年代，量子力學建立了，它能夠很好地描述微觀粒子運動的規律，并在現代科學技術中發揮了重要作用。 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。
環節四：課堂做練習
教室活動： 1、物理學的發展豐富了人類對物質世界的認識,推動了科學技術的創新和革命,促進了物質生產的繁榮與人類文明的進步。下列表述正確的是 ( 答案：AD ) A.牛頓發現了萬有引力定律 B .相對論的創立表明經典力學已不再適用 C.牛頓通過實驗證實了萬有引力定律 D.愛因斯坦建立了狹義相對論,把物理學推廣到高速領域 2、關于經典力學,下列說法正確的是 ( 答案：A ) A.經典力學完全適用于宏觀、低速運動 B.經典力學取得了巨大成就,是普遍適用的 C.隨著物理學的發展,經典力學將逐漸成為過時的理論 D.由于相對論、量子力學的提出,經典力學已經失去了它的應用價值 3、下列適合用牛頓運動定律研究的是( 答案：BCD ) A.研究高速運動的電子 B.研究月球繞地球的運轉情況 C.研究運動員百米跑的情況 D.研究火車從廣州開往深圳的運動
作業設計 在作業本上記知識點和練習第 題
板 書 設 計 第五節 相對論時空觀與牛頓力學的局限性
教 學 反 思 與 改 進 優點： 不足： 改進措施：

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