7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性 教学设计 -2023-2024学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

《相对论时空观与牛顿力学的局限性》教学设计 一．教学目标 （一）物理观念 1. 知道经典时空观； 2. 知道迈克尔逊-莫雷实验揭示的经典时空观的局限性，了解光速不变原理，知道爱因斯坦狭义相对论的两条基本假设； 3. 知道经典力学的成就及其局限性； 4. 知道狭义相对论时空观的成就，知道狭义相对论时空观与经典力学时空观的关系； 5. 知道宇宙大爆炸理论，关注宇宙起源相关理论的进展。 （2） 科学思维 1. 能够利用牛顿力学的速度变化性分析迈克尔逊-莫雷实验的结果，并据此了解光速不变原理的提出的逻辑； 2. 能够从光速不变原理推理同时的相对性，并知道尺缩效应与钟慢效应的表达式。 （3） 科学态度与责任 1. 认识到牛顿力学的局限性，知道经典力学不会被相对论力学的成就所否认，相对论时空观也会在某些特殊情况下回归到经典力学； 2. 经历相对论的发展历程，认识到科学理论是不断发展的，每一代人都有继续探索自然的责任。 2． 教学内容 （1） 重难点分析 重点：了解相对论时空观和牛顿力学的局限性； 难点：认识同时的相对性以及相关的观测效应。 （二）重难点说明 本课时的教学重点在于经历了经典时空观到相对论时空观的过渡历程后，学生直观地感受到牛顿力学的局限性，从而认识到科学成果总是要在一定范围内才成立，在更广泛的领域内需要新的理论来解释。当然，新的领域并不是来否定旧的理论的。 本课时重在介绍性质，拓展学生视野，培养学生对科学前沿的热情与兴起，以及辩证的科学思想。因此，要让学生真实经历狭义相对论的探究历程，从而切身感受到经典时空观的局限性。 3． 教学过程 教学环节与教学内容 教师活动 学生活动 设计意图 新课引入 1.提出河水中的船的速度合成问题。 2.将问题转化为光速的相关问题，引发学生展开对光速变化的思考。 3.当学生意识到牛顿力学并非万能的时候，引导学生像科学家一样思考，正式引出相对论时空观。 1.学生回答出河水中的船的速度合成问题。 2.学生谈论自己对光速问题的看法。 3.此处点到位置即可，不需要过度深入讨论。 问题导入，创设冲突，引发思考，激发学生的学习兴趣。 认识：光速不变的含义和由来 1.以问题导入，以迈克尔逊-莫雷实验、超新星的观测结果和爱因斯坦16岁时候的思想实验作为材料，引发学生对光速在不同参考系中的变化的思考。 2.教师引导学生对三个材料的意义加以总结。 3.教师给出爱因斯坦关于狭义相对论时空观的基本假设。 1.学生逐渐意识到，传统的v+c形式的速度变换，与实验事实相矛盾。 2.学生经历对爱因斯坦提出光速不变原理的历程，初步认识到经典力学时空观的局限性。 3.认识到爱因斯坦的狭义相对论时空观的两条基本假设的物理意义。 初步认识相对论时空观，了解狭义相对论的基本假设。 推理：利用光速不变推导同时的相对性 1.展示爱因斯坦的火车这一思想实验，为学生介绍思想实验的巨大魅力。 2.引导学生基于同时的相对性，推导狭义相对论的钟慢效应。 3.介绍尺缩效应以及相关的观测依据。 4.总结狭义相对论的革命性时空观。 1.讨论爱因斯坦火车问题，认识到不同参考系中，两个事件未必会同时发生。 2.在教师的引导下，推导钟慢效应的表达式。 3.思考尺缩效应和钟慢效应会带来怎样的观测现象。 4.感受相对论时空观对经典时空观的颠覆性革新。 经历利用光速不变原理对同时的相对性的推导，了解相对论时空观。 归纳：牛顿力学的成就和局限性 1.展示牛顿力学的伟大成就，及其对社会发展的推动作用 2.引导学生讨论“牛顿力学过时了吗”这一问题。 3.科学的探究永无止境，每一代人都有继续探究的责任。 1.列举牛顿力学的伟大成就。 2.讨论“牛顿力学过时了吗”这一问题，从进一步体会科学的局限性与发展。 经历对牛顿力学的成就与局限性的总结归纳，认识到人类对自然界的认识是不断深化的，后人要站在前人的肩膀上继续探索自然。 展望：广义相对论与宇宙学前沿 1.简单介绍广义相对论的意义和成就； 2.简单介绍宇宙大爆炸模型 3.引导学生进一步查阅有关资料 1.知道牛顿万有引力的局限性，体会广义相对论把引力作为时空的几何效应的精妙之处； 2.课后查阅相关资料，进一步了解宇宙起源的理论 让学生能够充分利用网络和书籍等资源，获取科学知识，陶冶情操。 总结规律，布置练习与作业 详见《作业练习》 学科网（北京）股份有限公司 $$