人教版(2019)高中物理必修2第七章 第5節(jié) 相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性 教案設(shè)計(jì)

1、第七章萬(wàn)有引力與宇宙航行相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性教學(xué)設(shè)計(jì)科目物理課題相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性課時(shí)1課時(shí)教學(xué)目標(biāo)與核心素養(yǎng)一知識(shí)與技能理解狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)；知道時(shí)間延緩效應(yīng)和長(zhǎng)度縮短效應(yīng)；認(rèn)識(shí)經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍；二過(guò)程與方法了解時(shí)間延緩效應(yīng)和長(zhǎng)度收縮效應(yīng)；經(jīng)典力學(xué)與相對(duì)論力學(xué)、量子力學(xué)的理解。三、情感態(tài)度與價(jià)值觀1.了解相對(duì)論時(shí)空觀，感受人類(lèi)對(duì)客觀世界不斷探究的精神和情感；2培養(yǎng)學(xué)生理解牛頓力學(xué)的局限性，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神，明白科學(xué)理論不會(huì)窮盡一切真理。教學(xué)重、難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：1.狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)；2.了解時(shí)間延緩效應(yīng)和長(zhǎng)度收縮效應(yīng)。教學(xué)難點(diǎn)：經(jīng)典力學(xué)與相對(duì)論力

2、學(xué)、量子力學(xué)的理解。教學(xué)準(zhǔn)備課件演示教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)意圖一、導(dǎo)入新課：設(shè)想人類(lèi)可以利用飛船以0.2c的速度進(jìn)行星際航行。若飛船向正前方的某一星球發(fā)射一束激光，該星球上的觀察者測(cè)量到的激光的速度是多少?學(xué)生觀察圖片思考討論通過(guò)科技中的知識(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引出本節(jié)課題【教師引導(dǎo)】生活經(jīng)驗(yàn)讓我們體會(huì)到，時(shí)間像一條看不見(jiàn)的“長(zhǎng)河”均勻地自行流逝著，空間像一個(gè)廣闊無(wú)邊的房間，它們都不影響物體及其運(yùn)動(dòng)。也就是說(shuō)，時(shí)間與空間都是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的。這種絕對(duì)時(shí)空觀，也叫牛頓力學(xué)時(shí)空觀。講授新課：（1）相對(duì)論時(shí)空觀學(xué)生經(jīng)過(guò)老師引導(dǎo)，體會(huì)光的傳播速度與傳播速度的關(guān)系通過(guò)聯(lián)系之前已知的知識(shí)，思考相

3、對(duì)論時(shí)空觀【教師引導(dǎo)】19世紀(jì)，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋根據(jù)電磁場(chǎng)理論預(yù)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(wèn):這個(gè)速度是相對(duì)哪個(gè)參考系而言的？一些物理學(xué)家對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了研究。在實(shí)驗(yàn)研究中，1887年的邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)以及其他一些實(shí)驗(yàn)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(xué)中不同參考系之間的速度變換關(guān)系不符?！窘處熝a(bǔ)充】愛(ài)因斯坦假設(shè):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。鍛煉學(xué)生的計(jì)算推導(dǎo)的能力【教師提問(wèn)】列車(chē)K的某車(chē)廂的中央發(fā)出了一個(gè)閃光，車(chē)廂中的人認(rèn)為閃光同時(shí)到達(dá)了前后兩壁（事件A和B）。

4、不同的是，列車(chē)K靜止在車(chē)站里，另一列車(chē)L從旁邊呼嘯而過(guò)。那么，在運(yùn)動(dòng)的列車(chē)L里，觀察者認(rèn)為，沿著運(yùn)動(dòng)方向位置靠前一些的事件A先發(fā)生，還是靠后一些的事件B先發(fā)生？【教師補(bǔ)充引導(dǎo)】假設(shè)一列火車(chē)沿平直軌道飛快地勻速行駛。車(chē)廂中央的光源發(fā)出了一個(gè)閃光，閃光照到了車(chē)廂的前壁和后壁。車(chē)上的觀察者以車(chē)廂為參考系，因?yàn)檐?chē)廂是個(gè)慣性系，光向前、后傳播的速率相同，光源又在車(chē)廂的中央，閃光當(dāng)然會(huì)同時(shí)到達(dá)前后兩壁（圖甲）。引導(dǎo)學(xué)生思考事件發(fā)生先后，并且用物理知識(shí)解答說(shuō)明對(duì)于車(chē)下的觀察者來(lái)說(shuō)，他以地面為參考系，因閃光向前、后傳播的速率對(duì)地面也是相同的，在閃光飛向兩壁的過(guò)程中，車(chē)廂向前行進(jìn)了一段距離，所以向前的光傳播的路

5、程長(zhǎng)些。他觀測(cè)到的結(jié)果應(yīng)該是:閃光先到達(dá)后壁，后到達(dá)前壁（圖乙）。因此，這兩個(gè)事件不是同時(shí)發(fā)生的?！緦W(xué)生小組交流】事件A先發(fā)生【教師補(bǔ)充引導(dǎo)】在愛(ài)因斯坦兩個(gè)假設(shè)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得到下述結(jié)果。1、時(shí)間延緩效應(yīng)如果相對(duì)于地面以V運(yùn)動(dòng)的慣性參考系上的人觀察到與其一起運(yùn)動(dòng)的物體完成某個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為At,地面上的人觀察到該物體在同一地點(diǎn)完成這個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為At,那么兩者之間的關(guān)系是：（v由于1-1，所以總有At沁，此種情況稱(chēng)kc丿為時(shí)間延遲效應(yīng)。2、長(zhǎng)度收縮效應(yīng)如果與桿相對(duì)靜止的人測(cè)得桿長(zhǎng)是10，沿著桿的方向，以v相對(duì)桿運(yùn)動(dòng)的人測(cè)得桿長(zhǎng)是1,那么兩者之間的關(guān)系是：廠1f1八2l=

6、l1kC丿所以總有l(wèi)l0,此種情況稱(chēng)為長(zhǎng)度收縮效應(yīng)。【教師總結(jié)】運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度（空間距離）和物理過(guò)程的快慢（時(shí)間進(jìn)程）都跟物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。這個(gè)結(jié)論具有革命性的意義，它所反映的時(shí)空觀稱(chēng)作相對(duì)論時(shí)空觀?！舅伎寂c討論】已知卩子低速運(yùn)動(dòng)時(shí)的平均壽命是3.0卩s。當(dāng);子以0.99C的速度飛行，若選擇卩子為參考系，此時(shí)卩子的平均壽命是多少?對(duì)于地面上的觀測(cè)者來(lái)說(shuō),平均壽命又是多少?通過(guò)思考與討論，正確的理解時(shí)間延遲效應(yīng)理解長(zhǎng)度收縮效應(yīng)理解時(shí)間延遲效應(yīng)，記住時(shí)間延遲效應(yīng)公式【解答】若選擇以卩子為參考系，卩子做低速運(yùn)動(dòng)，平均壽命為3.0卩s。對(duì)于地面觀察者來(lái)說(shuō)，卩子高速飛行，平均壽命A3.0ysAt=匕2

7、1ys。h(0.99cJ1kc)【教師總結(jié)】咼速運(yùn)動(dòng)的卩子壽命變長(zhǎng)這一現(xiàn)象，用經(jīng)典理論無(wú)法解釋?zhuān)孟鄬?duì)論時(shí)空觀可得到很好的解釋。這一研究結(jié)果成了相對(duì)論時(shí)空觀的最早證據(jù)。(2)牛頓力學(xué)的成就與局限性【教師引導(dǎo)】牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律，萬(wàn)有引力定律的建立是確立了人們對(duì)牛頓力學(xué)的尊敬。經(jīng)典力學(xué)的巨大成就：從地面上物體的運(yùn)動(dòng)到天體的運(yùn)動(dòng)。從大氣的流動(dòng)到地殼的變動(dòng)。從攔河筑壩、修建橋梁到設(shè)計(jì)各種機(jī)械。從自行車(chē)到汽車(chē)、火車(chē)、飛機(jī)等現(xiàn)代交通工具的運(yùn)動(dòng)。從投出籃球到發(fā)射導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船【學(xué)生思考】牛頓運(yùn)動(dòng)定律的適用范圍【教師補(bǔ)充引導(dǎo)】宏觀：能用通常方法測(cè)量與觀察的物體。低速：遠(yuǎn)小于光速的速度弱引

8、力:物體的半徑遠(yuǎn)小于引力半徑時(shí)物體之間存在的作用力?！窘處熖釂?wèn)】何為高速？何為低速？【學(xué)生思考】了解牛頓力學(xué)的成就，理解牛頓力學(xué)的局限性引導(dǎo)學(xué)生自主總結(jié)時(shí)間延遲效應(yīng)和長(zhǎng)度收縮效應(yīng)低速:遠(yuǎn)小于光速的速度為低速，通常所見(jiàn)的物體的運(yùn)動(dòng)，如行駛的汽車(chē)、發(fā)射的導(dǎo)彈、人造地球衛(wèi)星及宇宙飛船等物體的運(yùn)動(dòng)皆為低速運(yùn)動(dòng)。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(chēng)為咼速?！窘處熆偨Y(jié)】除了高速運(yùn)動(dòng)，牛頓力學(xué)在其他方面是否也有局限性?19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，物理學(xué)研究深入到微觀世界，發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，而且發(fā)現(xiàn)它們不僅具有粒子性，同時(shí)還具有波動(dòng)性，它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律在很多情況下不能用

9、牛頓力學(xué)來(lái)說(shuō)明。20世紀(jì)20年代，量子力學(xué)建立了，它能夠很好地描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要作用。像一切科學(xué)一樣，牛頓力學(xué)沒(méi)有也不會(huì)窮盡一切真理，它也有自己的局限性。【課堂小結(jié)】基于實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的牛頓力學(xué)不會(huì)被新的科學(xué)成就所否定，而是作為某些條件下的特殊情形，被包括在新的科學(xué)成就之中。當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速c時(shí)(c=3X108m/s),相對(duì)論物理學(xué)與牛頓力學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別;當(dāng)另一個(gè)重要常數(shù)即普朗克常量h可以忽略不計(jì)時(shí)(h=6.63X10-34Js),量子力學(xué)和牛頓力學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別。相對(duì)論與量子力學(xué)都沒(méi)有否定過(guò)去的科學(xué)，而只認(rèn)為過(guò)去的科學(xué)是自己在一定條件下的特殊情形。課堂

10、練習(xí)：1、物理學(xué)的發(fā)展豐富了人類(lèi)對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和革命,促進(jìn)了物質(zhì)生了解牛頓運(yùn)動(dòng)定律的適用范圍鍛煉學(xué)生的理解和解決實(shí)際的能力，了解牛頓力學(xué)的成就與局限性產(chǎn)的繁榮與人類(lèi)文明的進(jìn)步。下列表述正確的是（）牛頓發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律牛頓通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了萬(wàn)有引力定律相對(duì)論的創(chuàng)立表明經(jīng)典力學(xué)已不再適用愛(ài)因斯坦建立了狹義相對(duì)論，把物理學(xué)推廣到高速領(lǐng)域答案：AD2、關(guān)于經(jīng)典力學(xué)，下列說(shuō)法正確的是（）經(jīng)典力學(xué)完全適用于宏觀、低速運(yùn)動(dòng)經(jīng)典力學(xué)取得了巨大成就,是普遍適用的隨著物理學(xué)的發(fā)展，經(jīng)典力學(xué)將逐漸成為過(guò)時(shí)的理論由于相對(duì)論、量子力學(xué)的提出,經(jīng)典力學(xué)已經(jīng)失去了它的應(yīng)用價(jià)值答案：A3、下列說(shuō)法中正確

11、的是（）在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而改變，在狹義相對(duì)論中,物體的質(zhì)量也不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而改變?cè)诮?jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量隨運(yùn)動(dòng)速度的增加而減小，在狹義相對(duì)論中，物體的質(zhì)量隨物體速度的增大而增大在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量是不變的，在狹義相對(duì)論中，物體的質(zhì)量隨物體的速度的增大而增大上述說(shuō)法都是錯(cuò)誤的答案：C4、下列適合用牛頓運(yùn)動(dòng)定律研究的是（）研究咼速運(yùn)動(dòng)的電子研究月球繞地球的運(yùn)轉(zhuǎn)情況學(xué)生練習(xí)鞏固本節(jié)知識(shí)研究運(yùn)動(dòng)員百米跑的情況研究火車(chē)從廣州開(kāi)往深圳的運(yùn)動(dòng)答案：BCD5、A、B兩架飛機(jī)沿地面上一足球場(chǎng)的長(zhǎng)軸方向在其上空高速飛過(guò)，且vv，兩架飛機(jī)速度AB均接近光速,關(guān)于在飛機(jī)上的人觀察結(jié)果，下列說(shuō)法正確的是()A飛機(jī)上的人觀察到足球場(chǎng)的長(zhǎng)度比B飛機(jī)上的人觀察到的大A飛機(jī)上的人觀察到足球場(chǎng)的長(zhǎng)度比B飛機(jī)上的人觀察到的小兩飛機(jī)上的人觀察到足球場(chǎng)的長(zhǎng)度相同兩飛機(jī)上的人觀察到足球場(chǎng)的寬度相同答案：BD6、在地面附近有一高速飛過(guò)的火箭.關(guān)于地面上的人和火箭中的人觀察到的現(xiàn)象中正確的是()地面上的人觀察到火箭變短了,火箭上的時(shí)間進(jìn)程變快了地面上的人觀察到火箭變短了,火箭上的時(shí)間進(jìn)程變慢了火箭上的人觀察到火箭的長(zhǎng)度和