7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性学案

《7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性》教学设计参考系中大小都是相同的，两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中不一定也是同时的。

例如：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。

（1）车上的观察者以车厢为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗？（1）车下的观察者来说，以地面为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗？甲参考答案：（1）如图甲所示：因为车厢是个惯性系，闪光向前、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。

根据爱因斯坦的假设：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的，所以他以地面为参考系，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即：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。

3、时间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1－<1，所以总有Δt>Δτ，此种情况称为时间延缓效应。

4、长度收缩效应如果与杆相对静止的人测得杆长是l 0，沿着杆的方向，以v 相对杆运动的人测得杆长是l ，那么两者之间的关系是由于1－<1，所以总有l <l 0，此种情况称为长度收缩效应。

（1）式和（2）式表明：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。

这个结论具有革命性的意义，它所反映的时空观称作相对论时空观。

爱尔兰物理学家佛兹杰拉德提出，物质会在运动的方向上收缩（缩小），这意味着根据一个静止观察者的观点，一枚以接近光线运行的火箭所表现出的长度会比它静止时更短，尽管乘坐火箭的2)cv (2)cv(人看来并没有什么两样。

爱因斯坦指出，任何物体以光速运动时，其长度将会缩短为零。

5 相对论时空观与牛顿力学的局限性-人教版高中物理必修第二册（2019版）教案一、教学目标1.了解牛顿力学的基本假设和其适用范围。

2.了解相对论时空观的基本概念及其实验基础。

3.理解相对论时空观的本质特征和实验验证。

4.理解相对论时空观与牛顿力学的区别及其局限性。

二、教学重点1.牛顿力学的基本假设和其适用范围。

2.相对论时空观的本质特征和实验验证。

3.相对论时空观与牛顿力学的区别及其局限性。

三、教学难点1.相对论时空观的本质特征和实验验证。

2.相对论时空观与牛顿力学的区别及其局限性。

四、教学方法1.讲授教学法。

2.实验教学法。

3.讨论教学法。

1. 牛顿力学的基本假设和其适用范围牛顿力学是现代物理学的基础，它的基本假设是：力是物体间相互作用的结果，大小与方向都可以定量地计算出来，物体的加速度与它所受的力成正比，与它的质量成反比。

牛顿力学的适用范围是低速运动和基本静止的物体间相互作用。

对于高速运动的物体，牛顿力学的计算结果会与实验结果产生明显的偏差，无法描述物体的真实运动状态。

2. 相对论时空观的本质特征和实验验证相对论时空观是20世纪初爱因斯坦提出的，它的基本假设是光速不变原理和相对性原理。

光速不变原理指的是，在任何惯性参考系中，光速都是不变的，即便是运动的光源也是如此。

相对性原理指的是，在任何惯性参考系中，物理定律的表达式都是相同的。

这些假设的实验基础是著名的迈克尔逊-莫雷实验，它实验证明了光速不变原理。

相对论时空观的本质特征是时空是相对的，由此导致了一系列的狭义相对论效应，如时间膨胀、长度收缩、质能关系、光钟效应等等。

这些效应在低速运动下可以忽略不计，但在高速运动时会显著影响物体的运动状态。

3. 相对论时空观与牛顿力学的区别及其局限性相对论时空观与牛顿力学最大的区别在于对“运动物体”的认识。

牛顿力学认为，物体的运动状态是绝对的，而相对论时空观认为运动状态是相对的。

在高速运动的情况下，牛顿力学无法正确描述物体的运动状态，而相对论时空观则可以精确描述。

《相对论时空观与牛顿力学的局限性》教学设计【教材分析】1.本节课的地位和作用本节课是人教版物理必修二第七章第五节的内容，是学习完经典力学之后所做的介绍性的内容，可以拓展学生的知识面，体会经典力学到量子学、广义、狭义相对论的发展过程，让学生经历物理知识发展、完善的过程，从中培养科学精神和科学的思维方式。

2.教材的编写思路教材先介绍从低速到告诉，高速运动的物体运动时的规律在牛顿力学体系的时空观中并不成立，并给出了质量随时间变化的关系。

接下来介绍从宏观到微观的变化，发现了电子、质子、中子等微观粒子，这种粒子具有粒子性和波动性，提出了量子力学。

最后介绍从弱引力到强引力，提出了广义相对论。

本节课将通过介绍，让学生体会任何的科学都具有局限性，强调了牛顿力学并非过时，历史上的科学成就不会被新的科学成就所否定，而是作为某些条件下的局部情形，被包括在新的科学成就之中，要理解理论定律的适用条件。

3.教材的处理在讲授本节课时我先介绍牛顿运动定律和万有引力定律的广阔适用性，以至于当时人们认为物理学已经发展到很完善地步，接下来从19世纪末物理学大厦的“两朵乌云”出发，介绍了物理学是如何从实验数据中一步步修改理论研究，发展出了相对论和量子力学。

从物理学发展的角度一边讲授物理知识一边介绍物理学史，让学生更好的体会知识的慢慢完善过程和物理学严谨的科学态度和刻苦的求知精神。

【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和量子力学，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。

此外，本节课主要介绍相对论和量子力学理论，较为抽象。

而高一的学生思维活跃、求知欲强，思维方式已经从初中时形象思维慢慢地过度到抽象思维。

【教学目标】经历科学家建立相对论和量子论的思维探索过程，知道以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围，相对论、量子力学和经典力学的关系。

第5节相对论时空观与牛顿力学的局限性教学设计一、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2)(1cv t -∆=∆τ。

由于1)(12<-c v ，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：20)(1cvl - 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。

7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性『教材分析』本节属于介绍性内容。

使学生对牛顿力学产生敬仰的同时，对牛顿经典力学的局限性加以介绍，另一方面引导学生从经典物理的思想逐渐萌发出近代物理思想的萌芽，重点理解相对论时空观。

『教学目标与核心素养』『物理观念』了解相对论时空观与经典物理时空观的主要区别『科学思维』了解经典力学的发展历程和伟大成就。

能够说明物理学的进展对于自然科学的促进作用。

『科学探究』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』体会相对论时空观的建立对人类认识世界的影响。

『教学重难点』『教学重点』（1）经典力学的局限性和适用范围。

（2）时间和空间的相对性『教学难点』从“同时”的相对性得出运动长度和时间间隔的相对性『课前准备』PPT『教学过程』『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？『新课讲授』一、相对论时空观1、牛顿力学时空观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。

在经典物理学家的头脑中，如果两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中一定也是同时的。

但是，如果接受了爱因斯坦的两个假设，还是这样吗？（1）时间延缓效应（2）长度收缩效应（1）式和（2）式表明：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。

这个结论具有革命性的意义，它所反映的时空观称作相对论时空观。

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立了人们对牛顿力学的尊敬。

第5节 相对论时空观与牛顿力学的局限性1．相对论时空观(1)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，也叫□01牛顿力学时空观。

(2)爱因斯坦假设：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是□02相同的；真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是□03相同的。

(3)相对论时空观：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□04有关。

①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 ，那么两者之间的关系是□05Δt ＝Δτ1－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c2，由于1－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2<1，所以总有Δt □06>Δτ。

②长度收缩效应：如果与杆相对静止的人测得杆长是l 0，沿着杆的方向，以v 相对杆运动的人测得杆长是l ，那么两者之间的关系是□07l ＝l 0 1－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2，由于1－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2<1，所以总有l □08<l 0。

2．牛顿力学的成就与局限性(1)牛顿力学的基础是□09牛顿运动定律，它在□10宏观、□11低速的领域里与实际相符合，但是物体在以□12接近光速运动时所遵从的规律，有些与牛顿力学的结论□13并不相同。

(2)电子、质子、中子等微观粒子不仅具有□14粒子性，同时还具有波动性，它们运动的规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明，而□15量子力学能够很好地描述微观粒子运动的规律。

(3)当物体的运动速度远小于光速c 时(c ＝3×108m/s)时，相对论物理学与经典物理学的结论□16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(h ＝6.63×10－34 J·s)，量子力学和牛顿力学的结论□17没有区别。

相对论与量子力学都没有否定牛顿力学，而只认为牛顿力学是它们在一定条件下的特殊情形。

第五节相对论时空观与牛顿力学的局限性《教师教学用书》本节的教学重点是“相对论时空观”和“牛顿力学的局限性”。

相对论建立之前的整个经典物理学都是建立在绝对时空观的基础之上。

绝对时空观认为，空间和时间是两个独立的观念，彼此间没有联系。

爱因斯坦系统全面的审查了牛顿力学和麦克斯韦电磁场理论的基础，洞察出内在的基本矛盾集中在时空观念与物质运动之间的联系上，找到了克服困难的途径，确立了崭新的时空观，并建立了把力学和电磁学统一起来的自洽和谐的新的物理理论——狭义相对论。

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。

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。

【教学目标】主题探究素养提升知道牛顿力学的局限性拓展知识，开阔视野知道钟慢效应、尺缩效应知道科学真理是相对的【课前预习】1.认真阅读教材P65-P69。

2.完成《学习指导》“自学新教材注重基础性”部分。

【课堂探究】主题探究一对相对论时空观的理解问题驱动一：高速列车行驶时，车厢内会显示列车的速度，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的观念叫什么？问题驱动二：在地面上校准的两只钟，一只留在地面上，一只随宇宙飞船遨游太空。

隔一段时间飞船返回地面时，两只钟显示的时间相同吗？有什么差别？相对论时空观学生活动：阅读教材P66，学习同时的相对性（1）绝对时空观：（2）爱因斯坦的假设：（3）时间延缓效应：动钟变慢（4）长度收缩效应：动尺变短（5）相对论时空观：练习巩固：《学习指导》P56典例1、P57典例2主题探究二经典力学与相对论、量子力学的比较牛顿力学的成就与局限性1.低速与高速的理解2.牛顿力学与相对论、量子理论的比较牛顿力学相对论、量子理论区别（1）牛顿力学适用于低速运动的物体（2）牛顿力学适用于宏观世界（3）牛顿力学在弱引力的情况下与实验结果符合得很好（1）相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律。

7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性学案【学习目标】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。

【重点难点】重点：了解经典力学的局限性。

难点：了解相对论、量子力学与经典力学的关系。

【自主学习】1.经典力学的基础是_________，牛顿运动定律和万有引力定律在_________、_________、_________的广阔领域，包括_________的研究中，经受了实践的检验，取得了巨大的成就。

2.狭义相对论阐述物体在以_____________运动时所遵从的规律。

3.在经典力学中，物体的质量是_________的，而狭义相对论指出，质量要随着物体运动速度的增大而____________，即m=_________，两者在___________的条件下是统一的。

4.经典力学认为位移和时间的测量与参考系____________，相对论认为，同一过程的位移和时间的测量与参考系___________，在不同的参考系中____________。

5.19世纪末20世纪初，物理学研究深入到微观世界，发现了电子、质子、中子等微观粒子，而且发现它们不仅具有_________，同时还具有___________。

20世纪20年代，__________建立，它能够很好地描述微观粒子运动的规律性，并在现代科学技术中发挥了重要作用。

6.经典力学的适用范围：只适用于___________运动，不适用于________运动；只适用于世________界，不适用于___________世界。

【重难详解】【探究一】绝对时空观1.惯性系与非惯性系（1）惯性系：凡是牛顿运动定律成立的参考系；相对于惯性系做匀速直线运动的参考系也是惯性系。

（2）非惯性系：牛顿运动定律不成立的参考系；相对于惯性系做变速运动的参考系是非惯性系。