2024-2025學年新教材高中物理第七章5相對論時空觀與牛頓力學的局限性教案新人教版必修2

PAGE1-相對論時空觀與牛頓力學的局限性科目物理課題相對論時空觀與牛頓力學的局限性課時1課時教學目標與核心素養(yǎng)一．學問與技能1.理解狹義相對論的兩個基本假設；知道時間延緩效應和長度縮短效應；2.相識經(jīng)典力學的局限性和適用范圍；二．過程與方法1.了解時間延緩效應和長度收縮效應；2.經(jīng)典力學與相對論力學、量子力學的理解。情感看法與價值觀1.了解相對論時空觀，感受人類對客觀世界不斷探究的精神和情感；2.培育學生理解牛頓力學的局限性，培育學生的探究精神，明白科學理論不會窮盡一切真理。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(jīng)典力學與相對論力學、量子力學的理解。教學打算課件演示教學過程老師活動學生活動設計意圖導入新課：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放射一束激光，該星球上的視察者測量到的激光的速度是多少？【老師引導】生活閱歷讓我們體會到，時間像一條看不見的“長河”，勻稱地自行消逝著，空間像一個廣袤無邊的房間，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。這種肯定時空觀，也叫牛頓力學時空觀。講授新課：（1）相對論時空觀【老師引導】19世紀，英國物理學家麥克斯韋依據(jù)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探討。在試驗探討中，1887年的邁克耳孫——莫雷試驗以及其他一些試驗表明: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。【老師補充】愛因斯坦假設:在不同的慣性參考系中，物理規(guī)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?！纠蠋熖釂枴苛熊嘖的某車廂的中心發(fā)出了一個閃光，車廂中的人認為閃光同時到達了前后兩壁(事務A和B)。不同的是，列車K靜止在車站里，另一列車L從旁邊咆哮而過。那么，在運動的列車L里，視察者認為，沿著運動方向位置靠前一些的事務A先發(fā)生，還是靠后一些的事務B先發(fā)生?【老師補充引導】假設一列火車沿平直軌道飛速地勻速行駛。車廂中心的光源發(fā)出了一個閃光，閃光照到了車廂的前壁和后壁。車上的視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，光源又在車廂的中心，閃光當然會同時到達前后兩壁(圖甲)。對于車下的視察者來說，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。他觀測到的結果應當是:閃光先到達后壁，后到達前壁(圖乙)。因此，這兩個事務不是同時發(fā)生的?！緦W生小組溝通】事務A先發(fā)生【老師補充引導】在愛因斯坦兩個假設的基礎上，經(jīng)過嚴格的數(shù)學推導可以得到下述結果。1、時間延緩效應假如相對于地面以v運動的慣性參考系上的人視察到與其一起運動的物體完成某個動作的時間間隔為△τ，地面上的人視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，此種狀況稱為時間延遲效應。2、長度收縮效應假如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，此種狀況稱為長度收縮效應?！纠蠋熆偨Y】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(tài)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?！舅妓髋c探討】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。對于地面視察者來說，μ子高速飛行，平均壽命?！纠蠋熆偨Y】高速運動的μ子壽命變長這一現(xiàn)象，用經(jīng)典理論無法說明，用相對論時空觀可得到很好的說明。這一探討結果成了相對論時空觀的最早證據(jù)。（2）牛頓力學的成就與局限性【老師引導】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敬重。經(jīng)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）從大氣的流淌到地殼的變動。（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(xiàn)代交通工具的運動。（5）從投出籃球到放射導彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船……【學生思索】牛頓運動定律的適用范圍【老師補充引導】宏觀：能用通常方法測量與視察的物體。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?！纠蠋熖釂枴亢螢楦咚?？何為低速？【學生思索】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、放射的導彈、人造地球衛(wèi)星及宇宙飛船等物體的運動皆為低速運動。高速:有些微觀粒子在肯定條件下其速度可以與光速相接近，這樣的速度稱為高速。【老師總結】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，物理學探討深化到微觀世界，發(fā)覺了電子、質子、中子等微觀粒子，而且發(fā)覺它們不僅具有粒子性，同時還具有波動性，它們的運動規(guī)律在許多狀況下不能用牛頓力學來說明。20世紀20年頭，量子力學建立了，它能夠很好地描述微觀粒子運動的規(guī)律，并在現(xiàn)代科學技術中發(fā)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?！菊n堂小結】基于試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別情形，被包括在新的科學成就之中。當物體的運動速度遠小于光速c時（c=3×m/s），相對論物理學與牛頓力學的結論沒有區(qū)分；當另一個重要常數(shù)即普朗克常量h可以忽視不計時（h=6.63×J·s），量子力學和牛頓力學的結論沒有區(qū)分。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肯定條件下的特別情形。課堂練習：1、物理學的發(fā)展豐富了人類對物質世界的相識,推動了科學技術的創(chuàng)新和革命,促進了物質生產(chǎn)的旺盛與人類文明的進步。下列表述正確的是()A.牛頓發(fā)覺了萬有引力定律B.牛頓通過試驗證明了萬有引力定律C.相對論的創(chuàng)立表明經(jīng)典力學已不再適用D.愛因斯坦建立了狹義相對論,把物理學推廣到高速領域答案：AD2、關于經(jīng)典力學,下列說法正確的是()A.經(jīng)典力學完全適用于宏觀、低速運動B.經(jīng)典力學取得了巨大成就,是普遍適用的C.隨著物理學的發(fā)展,經(jīng)典力學將漸漸成為過時的理論D.由于相對論、量子力學的提出,經(jīng)典力學已經(jīng)失去了它的應用價值答案：A3、下列說法中正確的是()A.在經(jīng)典力學中,物體的質量不隨運動狀態(tài)而變更,在狹義相對論中,物體的質量也不隨運動狀態(tài)而變更

B.在經(jīng)典力學中,物體的質量隨運動速度的增加而減小,在狹義相對論中,物體的質量隨物體速度的增大而增大

C.在經(jīng)典力學中,物體的質量是不變的,在狹義相對論中,物體的質量隨物體的速度的增大而增大

D.上述說法都是錯誤的答案：C4、下列適合用牛頓運動定律探討的是(

)A.探討高速運動的電子

B.探討月球繞地球的運轉狀況

C.探討運動員百米跑的狀況

D.探討火車從廣州開往深圳的運動答案：BCD5、A、B兩架飛機沿地面上一足球場的長軸方向在其上空高速飛過,且,兩架飛機速度均接近光速,關于在飛機上的人視察結果,下列說法正確的是(

)A.A飛機上的人視察到足球場的長度比B飛機上的人視察到的大

B.A飛機上的人視察到足球場的長度比B飛機上的人視察到的小

C.兩飛機上的人視察到足球場的長度相同

D.兩飛機上的人視察到足球場的寬度相同答案：BD6、在地面旁邊有一高速飛過的火箭.關于地面上的人和火箭中的人視察到的現(xiàn)象中正確的是(

)A.地面上的人視察到火箭變短了,火箭上的時間進程變快了

B.地面上的人視察到火箭變短了,火箭上的時間進程變慢了

C.火箭上的人視察到火箭的長度和時間進程均無變更

D.火箭上的人看到地面物體長度變小,時間進程變慢了答案：BCD【課后作業(yè)】閱讀科學閑逛，完成相關課后題學生視察圖片思索探討學生經(jīng)過老師引導，體會光的傳播速度與傳播速度的關系引導學生思索事務發(fā)生先后，并且用物理學問解答說明通過思索與探討，正確的理解時間延遲效應理解長度收縮效應了解牛頓力學的成就，理解牛頓力學的局限性了解牛頓運動定律的適用范圍學生練習學生練習通過科技中的學問，激發(fā)學生的學習愛好，引出本節(jié)課題通過聯(lián)系之前已知的學問，思索相對論時空觀熬煉學生的計算推導的實力理