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课题

7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性

教学内容分析

本章前几节从牛顿发现万有引力定律，到海王星、冥王星的发现，再到宇宙航行等，介绍了万有引力理论的辉煌成就。此时介绍经典力学的局限性，目的在于使学生在拓展知识、开阔视野的同时，正确认识物理学理论的发展与适用范围 教材从低速到高速、宏观到微观两方面简单介 绍了经典力学的局限性。要学生认识到:牛顿力学具有坚实的实验基础，作为某些条件下的特殊情形，它被包括在新的科学成就之中。尽管万有引力定律取得了辉煌的成就，但真理是相对的，在新的领域还有新的规律等待我们去发现。

课标要求“关注宇宙起源和演化的研究进展”。教材在“科学漫步”栏目中介绍了宇宙学的研究和进展，以及恒星的演化、黑洞的简单知识。

学情分析

本节课的授课对象的高一的学生。这个阶段的学生已经学习了牛顿运动定律和万有引力定律，对于经典力学的基本理论以及应用也有了基本的认识和理解。学生或许有听闻过相对论，但是缺乏正确的认识或者理论不清楚，但对于这部分的知识是感兴趣的。

教学目标

1.知道爱因斯坦的两条假设，了解时间延缓效应、长度收缩效应，认识牛顿力学的成就与局限性。

2.知道牛顿力学的适用范围，认识物理学中理论的相对稳定性，要有质疑精神。

教学

重难点

1.知道爱因斯坦的两条假设，了解时间延缓效应、长度收缩效应。（重点难点）

2.认识牛顿力学的成就与局限性。（重点）

教学过程

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

导入新课

思考与讨论：

(1)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？

(2)高速列车行驶时车厢内显示的列车速度，列车上的乘客观察到车厢内的时间、长度与地面上的观察者看到的相同吗?时间和空间都不会因为物体的运动而改变呢?

牛顿的绝对时空观：

1.空间和时间都独立于物体及其运动而存在。

2.时间和空间是两个独立的观念,彼此间没有联系。

3.通俗地说就是时间、长度和质量这三者都与参考系的选取无关。

(3)我们知道，如果河水中的河水以相对河岸的速度v_水岸流动，河中的船以相对于水的速度v_船水顺流而下，则船相对于岸边的速度为：v_船岸=v_船水+v_水岸，前面第(1)个问题的答案似乎应为1.2c，事实是这样吗？

学生分析讨论并分享

学生学习绝对时空观

学生用绝对时空观思考第一个问题

为牛顿的绝对时空观做铺垫

明确绝对时空观的观念内容

为相对论时空观做铺垫

讲授新课

一、相对论时空观

1.牛顿力学与电磁波理论遇到了怎样的矛盾和冲突

(1)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。

(2)1887年迈克耳孙——莫雷实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的。

(3)按照绝对时空观,光的传播速度与参考系的选取有关,而实验测得光的传播速度与参考系的选取无关,二者有矛盾。

2.爱因斯坦的假设

(1)在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的，

(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。

思考与讨论：

     如果你接受了爱因斯坦的两个假设，假设一列火车沿平直轨道飞快的地匀速行驶，车厢中央的光源发出了一个闪光，那么在车上的人和在车下的人，看到闪光照到车厢前壁和后壁这两个时间是否都是同时发生的呢？

3.时间的延缓效应

如果相当于地面以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Δτ，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Δt，则。由于，所以总有Δt>Δτ，此种情况称为时间延缓效应。

思考与讨论：

    如果与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以v相对杆运动的人测得杆长是l，那么两者之间存在怎样的关系？

4.长度收缩效应

(1)长度收缩效应：一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度变小。

(2)长度变换公式：

思考与讨论：

    有一种基本粒子叫μ子，当它低速运动时，它的平均寿命是3.0μs，当μ子以0.99c的速度飞行时，若选μ子为参考系，μ子的平均寿命是多少？若以地面为参考系，μ子的平均寿命是多少？

【相对论时空观的第一次验证】相对论时空观的第一次宏观验证是在 1971 年进行的。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

1.牛顿力学的成就

牛顿力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律的建立与应用更是确定了人们对牛顿力学的尊敬。在宏观物体做低速运动的广阔领域，牛顿力学与实际相符合，显示了牛顿运动定律的正确性和牛顿力学的魅力。

2.牛顿力学的局限性

(1)微观世界：电子、质子、中子等微观粒子，发现它们不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明。

(2)牛顿力学只适用于低速运动，不适用于高速运动。

3.相对论和量子力学与牛顿力学的关系

当物体的运动速度远小于光速c时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别；当另一个重要常数即普朗克常量h可以忽略不计时，量子力学和牛顿力学的结论没有区别。相对论和量子力学都没有否定牛顿力学，只是认为牛顿力学是在一定条件下的特殊情形。

三、课堂练习

学生看课本学习

学生识记记录

学生分析讨论

学生识记记录

学生分析讨论

学生识记记录

学生计算

学生了解有关验证内容

学生识记记录

学生学习

通过牛顿力学与电磁波理论遇到的矛盾和冲突明确绝对时空观的局限性

明确爱因斯坦的两个假设

为时间的延缓效应做铺垫

明确时间的延缓效应

为长度收缩效应做铺垫

明确长度收缩效应

让学生根据所学内容加以应用

让学生明确预言正确与否，都要实验验证

让学生明确牛顿力学的成就和局限性，以及相对论和量子力学与牛顿力学的关系

强化巩固

课堂总结

板书设计

7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性

一、相对论时空观

1.电磁波与光速：在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的。

2.爱因斯坦假设

(1)在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。

(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。

3.时间延缓效应

4.长度收缩效应

二、牛顿力学的成就与局限性

1.牛顿力学的成就

2.牛顿力学的局限性

只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界。

作业设计

教学反思与评价