相对论时空观与牛顿力学的局限性教学设计

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。

《相对论时空观与牛顿力学的局限性》教学设计一．教学目标（一）物理观念1. 知道经典时空观；2. 知道迈克尔逊-莫雷实验揭示的经典时空观的局限性，了解光速不变原理，知道爱因斯坦狭义相对论的两条基本假设；3. 知道经典力学的成就及其局限性；4. 知道狭义相对论时空观的成就，知道狭义相对论时空观与经典力学时空观的关系；5. 知道宇宙大爆炸理论，关注宇宙起源相关理论的进展。

（二）科学思维1.能够利用牛顿力学的速度变化性分析迈克尔逊-莫雷实验的结果，并据此了解光速不变原理的提出的逻辑；2.能够从光速不变原理推理同时的相对性，并知道尺缩效应与钟慢效应的表达式。

（三）科学态度与责任1.认识到牛顿力学的局限性，知道经典力学不会被相对论力学的成就所否认，相对论时空观也会在某些特殊情况下回归到经典力学；2.经历相对论的发展历程，认识到科学理论是不断发展的，每一代人都有继续探索自然的责任。

二．教学内容（一）重难点分析重点：了解相对论时空观和牛顿力学的局限性；难点：认识同时的相对性以及相关的观测效应。

（二）重难点说明本课时的教学重点在于经历了经典时空观到相对论时空观的过渡历程后，学生直观地感受到牛顿力学的局限性，从而认识到科学成果总是要在一定范围内才成立，在更广泛的领域内需要新的理论来解释。

当然，新的领域并不是来否定旧的理论的。

本课时重在介绍性质，拓展学生视野，培养学生对科学前沿的热情与兴起，以及辩证的科学思想。

因此，要让学生真实经历狭义相对论的探究历程，从而切身感受到经典时空观的局限性。

三．教学过程教学环节与教学内容教师活动学生活动设计意图新课引入1.提出河水中的船的速度合成问题。

2.将问题转化为光速的相关问题，引发学生展开对光速变化的思考。

3.当学生意识到牛顿力学并非万能的时候，引导学生像科学家一样思考，正式引出相对论时空观。

1.学生回答出河水中的船的速度合成问题。

2.学生谈论自己对光速问题的看法。

3.此处点到位置即可，不需要过度深入讨论。

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。

思考与讨论：已知µ子低速运动时的平均寿命是3.0µs 。

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？2)cv (2)c v (相对于光速而言，低速运动即可近似认为速度为0，即若选择与µ子一起运动的某一物体为参考系，此时µ子的平均寿命是3.0µs。

5．相对论时空观与牛顿力学的局限性[学习目标要求] 1.了解相对论时空观，知道时间延缓效应和长度收缩效应。

2.认识牛顿力学的成就、适用范围及局限性。

3.了解科学理论的相对性，体会科学理论是不断发展和完善的。

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。

3．时间延缓效应：Δt ＝Δτ1－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2。

4．长度收缩效应：l ＝l 01－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2。

5．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有关。

[判一判](1)在一切惯性系中不论沿任何方向，光速大小都是c 。

(√)(2)时间延缓效应是说时钟走得慢了。

(×)(3)长度的收缩效应表明物体真实长度变小。

(×)(4)汽车运动时没发现长度变化，故长度的收缩效应是错误的。

(×)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和万有引力定律，从地面上物体的运动到天体的运动，都服从牛顿力学的规律。

2．牛顿力学的局限性电子、质子、中子等微观粒子，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。

3．牛顿力学的适用范围只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界。

4．相对论物理学与牛顿力学的联系(1)当物体的运动速度远小于光速c时(c＝3×108 m/s)，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别。

(2)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没有区别。

(3)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。

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。