（必修2）7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性（教案2）

skybamboo · 发表于 9 小时前

7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性
〖教材分析〗
本节是全章最后一部分内容，也属于介绍性质内容，它可以拓展学生的知识面、展示科学探究的无限可能，建立科学思想、科学的思维方法，培养科学精神等。本节教材先介绍相对论时空观，将时间与空间和光速联系起来，让学生体会物理学理论的发展和局限性。通过对相对论和量子力学的介绍，更加完善了物理学大厦，也能让学生认识到科学的无限可能。
〖教学目标与核心素养〗
物理观念：了解相对论-量子论的建立对人类深入了解客观世界的作用，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，知道生有涯、知无涯的唯物主义世界观。
〖教学重点与难点〗

重点：了解经典力学的局限性。

难点：了解相对论、量子力学于牛顿力学的关系。
〖教学准备〗
多媒体课件
〖教学过程〗
一、新课引入
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？
飞船的速度是0.2c，而光速就是c，也就是说在没有发出光子的时候，光子已经有0.2c的速度了。最后接收到的是多少呢？我们来学习相对论时空观与牛顿力学的局限性。
二、新课教学

什么是时间？
1.河水、树木，这是个事件还是个事物？
2.河水在流动，树木在生长呢？
3.如果没有了时间，水还流动吗，树木还在生长吗？
4.要是没有空间树木往哪里长，水往哪里流呢？
绝对时空观:时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的。
思考问题：若河中的水以相对于岸的速度v水岸流动, 河中的船以相对于水的速度v船水顺流而下，则船相对于岸的速度为？
v船岸=v船水+v水岸
因此，针对导入的问题，则有
v光观=v光船+v船观

根据题意v光船=c，观测者看到飞船的速度v船观=0.2c，所以代入数据则有似乎应为1.2c然而，事实并非如此！因为这样的速度太快了，已经超过光速了。与相对论时空观相违背。那相对论的时空观是怎么样的呢？
（一）相对论的时空观
1.麦克斯韦电磁场理论的建立
英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了电磁波的存在，并证明电磁波的传播速度等于光速 C。
问题：这个速度是相对哪个参考系而言的？
2.迈克耳孙一莫雷实验
实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的！这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符。
3.爱因斯坦的假设：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的惯性参号系中大小都是相同的。

假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶。车厢中央的光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁。车上的观察者以车厢为参考系，因为车厢是个惯性系，光向前、后传播的速率相同，光源又在车厢的中央，闪光当然会同时到达前后两壁。

对于车下的观察者来说，他以地面为参考系，因闪光向前、后传播的速率对地面也是相同的，在闪光飞向两壁的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些。他观测到的结果应该是：闪光先到达后壁, 后到达前壁。因此，这两个事件不是同时发生的。
①时间延缓效应
<Object: word/embeddings/oleObject1.bin>

其中v是运动的惯性参考系是速度，∆τ为惯性参考系完成某个动作的时间间隔，∆t为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。
介绍双生子佯谬。
②长度收缩效应
<Object: word/embeddings/oleObject2.bin>
其中l0是与杆相对静止的人测得杆长，l是以v相对杆运动的人测得杆长。
结论：运动物体的长度（空间距离）和物理过程的快慢（时间进程）都跟物体的运动状态有关。
思考与讨论
已知μ子低速运动时的平均寿命是3.0 μs。当μ子以0.99c的速度飞行，若选择μ子为参考系，此时μ子的平均寿命是多少？对于地面上的观测者来说，平均寿命又是多少？
解：若选择μ子为参考系，此时μ子的平均寿命∆t就等于低速运动时的平均寿命为3.0μs；对于地面上的观测者来说，平均寿命∆t0，根据时间间隔的相对性得：<Object: word/embeddings/oleObject3.bin>=<Object: word/embeddings/oleObject4.bin>。
由于平均寿命增大，飞行的距离也变大，因而在地面附近实际观测到的μ子的数量就大于经典理论作出的预言。
相对论时空观的第一次宏观验证。（播放动图）

当时在地面上将四只铯原子钟调整同步，然后把它们分别放在两架喷气式飞机上做环球飞行，一架向东飞，另一架向西飞。两架飞机各绕地球飞行一周后回到地面，与留在地面上的铯原子钟进行比较。实验结果与相对论的理论预言符合得很好。
（二）牛顿力学的成就与局限性

播放动图：地面上物体的运动和天体的运动，各种机械的运动，现代交通工.具的运动，投出篮球到发射导弹、人造地球卫星、宇宙飞船等的运动。
所有这些都服从牛顿力学的规律。牛顿力学在如此广阔的领域里与实际相符合，显示了牛顿运动定律的正确性和牛顿力学的魅力。
通过前面的学习，高速运动中的双生子佯谬牛顿力学无法解释要用狭义相对论。所以
牛顿力学适用于低速物体运动，不适用于高速运动。
牛顿力学在高速运动的物体上并不适用。除了高速运动，牛顿力学在其他方面是否也有局限性？
随着对微观世界研究的深入，科学们发现发现质子、中子、电子等微观粒子。

他们不仅具有粒子性，同时还具有干涉、衍射等波才具有的性质，也就是说微观粒子具有波动性。既有粒子性又有波动性，这是牛顿力学无法解释的。
在这情形下量子力学应运而生，它能够很好地描述微观粒子运动的规律，解释这些现象。今天我们研究微观物物质的世界时都要用量子力学来处理。并在现代科学技术中发挥了重要作用。所以
牛顿力学适用于宏观物体，不适用于微观物体。

相对论与量子力学都没有否定过去的科学，而只认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形。
〖板书设计〗
7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性

牛顿力学适用于低速物体运动，不适用于高速运动。

牛顿力学适用于宏观物体，不适用于微观物体。

高速物体的运动使用狭义相对论。

微观物体的运动使用量子力学。

〖教学反思〗

通过介绍相对论时空观，增强学生对世界本质的探索兴趣，而且还培养了学生的科学推理能力，符合教学评价提出的要求。加强学生的参与，体现学生的主体地位，力争做到充分利用学生已有的观察和感知、已有的概念和知识，引导学生通过查找资料，分析资料，合作交流，归纳总结。激发学生热爱科学、探索真理的求知热情，提高了学生交流合作能力，培养学生的科学素养。

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