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

7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性教案 【教学目标】 一、教学目标 1. 知道以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围。 2. 知道相对论、量子力学和经典力学的关系。 3. 通过对牛顿力学适用范围的讨论,使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围 认识知识的变化性和无穷性,培养献身于科学的时代精神。 二、核心素养 物理观念:了解相对论一量子论的建立对人类深入认识客观世界的作用,知道物理学改变人们 世界观的作用。 科学思维:经历科学家建立相对论和量子论的思维探索过程,认识科学思维的意义。 科学探究:通过阅读课文体会一切科学都有自己的局限性,新的理论会不断完善和补充旧的理 论,人类对科学的认识是无止境的 科学态度与责任:通过对牛顿力学适用范围的讨论.使学生知道物理中的结论和规律一般都有 其适用范围,认识知识的变化性和无穷性,培养献身于科学的时代精神 【教学重难点】 教学重点:1.狭义相对论的两个基本假设: 2.了解时间延缓效应和长度收缩效应。 教学难点:经典力学与相对论力学、量子力学的理解。 【新课导入】 设想人类可以利用飞船以0.2c的速度进行星际航行。若飞船向正前方的某一星球发射一束激 光.该星球上的观察者测量到的激光的速度是多少? 【教师引导】生活经验让我们体会到,时间像一条看不见的“长河”均匀地自行流逝着,空间 像一个广阔无边的房间,它们都不影响物体及其运动。也就是说,时间与空间都是独立于物体 及其运动而存在的。这种绝对时空观,也叫牛顿力学时空观。 【新课讲解】 相对论时空观 教师阐述:牛顿力学理论之所以为人们接受承认.一方面是牛顿力学在解决力学问题获得的巨 大成功:另一方面观察结果与人们的经验相符。但是十九世纪中叶,人们在研究与物体运动有 关的电磁现象时,发现在电磁现象的规律不符合相对性原理。 学生快速浏览教材第65页最后两自然段的内容,讨论思考分析。 教师投放内容并解释:在不同的参考系中,测得的光在真空的速率都是相同的。这一结论还特 别为后来的很多精确的实验所证实,最著名的是1887年迈克尔逊和莫雷所做的实验。它们都 明确无误地证明光速的测量结果与光源和测量者的相对运动无关,亦即与参考系无关。 牛顿力学理论与电磁波理论的矛盾与冲突,促使人们思考下述问题:绝对时空观的观念是不是 需要修正? 1.爱因斯坦的假设 20世纪最伟大的科学家爱因斯坦对这个问题进行了深入研究,并在1905年发表了论文《论 动体的电动力学》在这篇论文里对上述问题作出了对整个物理学界乃至整个科学界都有变革意 义的回答。在这篇论文中,爱因斯坦提出了两个假设: (1)在不同的惯性参考系中,物理规律的形式都是相同的一一爱因斯坦相对性原理; (2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的一一光速不变原理 爱因斯坦相对性原理和牛顿相对性原理比较,前者是后者的推广,这就使得相对性原理不仅适 用于力学现象,而且适用于所有物理现象,包括电磁现象在内。 爱因斯坦的光速不变原理告诉我们.不管光源与观察者的相对运动如何,在任一惯性系中的观 察者所观测到的真空中的光速都是相等的。 学生阅读教材,结合刚才的分析,讨论交流,完成下表: (3)观念上的变革 经典时空观 狭义相对论时空观 光速 相对的 绝对的(不变) 同时 绝对的 相对的 时间与空 与运动无关.绝对的 与运动有关,相对的 间 质量 与运动无关,不变的 随速度增加而增大 (相对 的) 2.同时相对性 教师通过多媒体投放图片,引导学生阅读教材第66~67页内容,思考讨论: 设想一列火车以速度v匀速向右运动,火车中央有一信号灯,在某时发出一光信号。甲乙两人 观察到的现象是否相同? ###((6)))) “((((·)))) 甲 乙 学生相互交流讨论,在教师引导下得出结论 (1)治两惯性系相对运动方向发生的两个事件,在其中一个惯性系中表现同时,在另一惯性 系中观察总是在前一惯性系运动的后方那一事件先发生。 (2)对不同参考系,同样两事件之间的时间间隔是不同的。即:时间量度是相对的,并且与 相对运动速度有关。 通过学生阅读教材以及相互讨论,师生共同梳理知识。 3.时间延缓效应 如果相对于地面以V运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时 间间隔为D/,地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为D,那么两者 1 应。 4.长度收缩效应(动尺变短 如果与杆相对静止的人测得杆长是lo,沿着杆的方向,以v相对杆运动的人测得杆长是/. 那 应。 特别注意:长度收缩效应只发生在相对运动的方向上 (三)牛顿力学的成就与局限性 教师投放问题. 引导学生阅读教材第68页并思考问题 (1)牛顿力学取得了哪些辉煌的成就?举例说明。 (2)牛顿力学在哪些领域不能适用?能说出为什么吗?举例说明 (3)牛顿