【核心素养】7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性-教学设计 (表格式)

教学设计
课程基本信息
学科 物理 年级 高一 学期 春季
课题 相对论时空观与牛顿力学的局限性
教学目标
1.物理观念：了解相对论-量子论的建立对人类深入认识客观世界的作用，知道物理学改变人们世界观的作用。 2.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。 3.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。 4.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，认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神。
教学内容
教学重点： 1.了解经典力学的局限性
2.了解相对论时空观和牛顿力学时空观的区别
教学难点： 1.了解相对论、量子力学与经典力学的关系 2.了解时间延缓效应和长度收缩效应
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 我们先来看一个关于卫星导航的视频。为什么卫星的时间流逝和地面不同步呢，这与相对论又有什么关系？学完本节课相信你会有所发现。 观看卫星导航视频，了解定位需要四颗卫星，了解应用相对论能够修正时间 通过问题引发学生的思考从而引起学生学习的兴趣
讲授新课 我们先来看一个生活中的运动情境，按两下，火车的速度是180km/h，如果车上列车员以1m/s的速度沿车厢同向前进，相对于地面静止的观察者看到列车员的速度是多大？列车员相对于火车的速度加上火车相对于地面的速度就是列车员相对于地面的速度了，大小为51米每秒。 我们再来看一个烟花爆炸的情境，火球在空中爆炸后，多个小光球向四面八方运动，形成漂亮的球形烟花，火球爆炸的瞬间，观察者与爆炸点距离为ｄ，各小光球速度均为ｖ ，如果光速是遵循速度叠加规则的，那么哪个小光球发出的光最先被观察者看见？ 哪个小光球发出的光最后被观察者看见？请你导出时间差表达式。 假设光速遵循速度叠加规则，朝a方向运动的小光球发出的光到达观察者的时间为，d除以c与v的差值，朝b方向运动的小光球发出的光到达观察者的时间为，d除以c与v的之和，两束光到达观察者的时间差值为，2dv除以c方减去v方。根据这个结果，观察者能明显看到，先亮和后亮吗？显然v远小于c，很难观察到。要使时间差能够被人眼区分，d、v应该满足什么条件？很好，观察者距离爆炸点应该足够远，同时抛出的小光球的速度应该足够大。 师：宇宙中刚好有这么一个例子，约6500光年外的蟹状星云是超新星爆发形成的，爆发物质的运动速度大约是光速的两百分之一。如果光速遵循速度叠加规则，天文学家计算得到光到达地球的时间差应该为50年，但在实际的观测中没有发现这样的证据，中国宋朝的记载是23天。 师：通过两个情境的比较，大家有什么疑问吗？停顿三秒，为什么光速不遵循速度叠加规则？光速C本身是相对于哪个参考系的？ 早在19世纪，按1下，科学家们就发现了这个问题，光速c由麦克斯韦方程推导出，按1下，但是麦克斯韦方程并不满足伽利略变换。部分科学家认为光速是相对于以太（某种绝对静止参考系）的速度，但是迈克耳孙—莫雷实验并没有找到以太，反而发现光速在不同参考系中都是不变的。 师：在实验事实面前，许多物理学家仍然立足在牛顿力学时空观的基础上，想通过一些理论上的修补工作，解释实验现象。以爱因斯坦和庞加莱，为代表的另一批物理学家，坚决主张彻底放弃某些与实验事实不相符的观念，在实验事实的基础上，大胆提出，能够更好地解释实验现象的假设。 师：我们一起来看看这样一个思维实验，如果你身处一列看不见外界的车厢中，你能否通过身体的前倾和后仰判断火车是静止还是匀速运动呢？不管火车是静止还是匀速运动，甚至无论匀速运动的速度是100码还是200码，你的身体都能保持直立。因此你不能通过身体的姿态判断火车到底是静止还是匀速，由此爱因斯坦提出了狭义相对论的假设之一：不同惯性参考系下物理规律形式相同。同时，爱因斯坦，假设任何惯性系中光速是相同的。 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？我们来看这样一个情境。一列火车以速度v相对地面高速运动，位于火车车厢正中间的光源，某一时刻发出了一个闪光。车上的观察者看来，闪光是否同时到达前壁和后壁？显然在车上的观察者看来，光到达前后壁的距离相等，光速相同，所以两束光同时到达前壁和后壁。与地面静止的观察者眼中，光刚从光源发出时，前壁与后壁离光源是否等距 显然是等距的。经过时间 t 后，前壁与后壁离光发出时的位置还等距吗 t时间后，火车向前行驶一段距离，所以后壁离光发出时的位置更近。根据光速不变原理，静止在地面的观察者能看到光同时到达前壁与后壁吗 不能，后壁距离光发出时的位置更近，光速相同，所以光先到达后壁。 师：光到达前后壁的时间间隔与火车相对于观察者的运动状态有关，所以时间间隔还是与物体运动无关的独立存在吗 看来完成某个动作的时间间隔就和光到达前壁与光到达后壁的时间间隔一样，与物体相对于观察者的运动状态有关。在爱因斯坦两个假设的基础上，经过严格的数学推导，可以得到以下结论。 师：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t0，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t，那么两者之间的关系是如下，由于分母总是小于1，因此时间t总是大于t0，此种情况称为时间延缓效应。除了时间观念，你认为空间距离是否也会与物体的运动有关 师：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，那么两者之间的关系如下，同样l总是小于l0，此种情况称为长度收缩效应。下图直观的展现了地面观察者看到的不同速度下的火箭尺寸。 看起来如此不可思议的相对论效应是否得到实验的验证了呢？我们一起观看视频寻找答案。看来飞机上铯原子钟的时间延缓与观测到的缪子寿命延长确实验证了狭义相对论的准确性。 师：当高铁列车以160km/h运行时，车上乘客的时间流逝速度与静止在地面上的人相同吗？大家都坐过火车，并没有观察到时间流逝不一样快。那为什么导航卫星的时间流逝比地面上的慢，高铁却没有？原来导航卫星的运行速度，大约为一万四千千米每小时，这样大的速度产生的时间延缓效应需要用相对论修正。高铁的速度相对于光速较小，相对论效应不明显。 师：在相对论之前，我们认为运动物体的长度和物理过程的快慢都跟物体的运动状态无关，具有绝对性。它所反映的时空观称作绝对时空观，现在我们知道绝对时空观只适用于低速运动的物体。相对论之后，我们认为运动物体的长度和物理过程的快慢都跟物体的运动状态有关。它所反映的时空观称作相对论时空观。当物体做低速运动时，相对论时空观就退变成了，绝对时空观。 阅读理解情境，根据伽利略变换，计算列车员相对地面的速度 理解、构建模型，计算时间差 对计算结果进行思考 思考为什么当d、v足够大时，还是没有计算中的时间差，是哪里出了问题？ 思考，是不是假设出了问题？为什么光速不满足伽利略变换 了解科学史实，体会爱因斯坦、庞加莱等科学家的科学主张，体会科学理论发展的规律。 积极参与思维实验，体会到相对性原理的准确性。 应用相对论的两个假设计算在两个参考系中的观察者观察到光到达前后壁的时间差 通过计算结果体会时间延缓效应与长度缩短效应 观看视频，了解铯原子钟实验以及μ子寿命延长现象对于相对论的论证，体会相对论时空观与经典时空观的不同 引入伽利略变换事例，为之后引出矛盾，从而引出相对论做准备 假设光速满足伽利略变换，引导学生推导两次光的时间差，为下个环节做铺垫。 引导学生计算发现当d、v不够大时人眼无法分辨时间差。 引入宇宙蟹状星云爆炸，d、v都很大，但是时间差依旧不明显，引起学生思考，到底哪里出了问题，难道光速不满足伽利略变换？ 引出光速不满足伽利略变换 帮助学生了解相对论建立之前经典物理学的两朵乌云之一，为相对论假设的建立提供依据 引导学生通过生活实际理解相对性原理。 引导学生通过情景计算体会同时的相对性 引导学生了解钟慢与尺缩的公式，会进行简单的应用计算 引导学生了解任何物理理论的发展都需要实验的验证。
归纳总结 师：除了高速运动领域，牛顿力学在其他方面是否也有局限性？其实微观粒子，运动也不能用牛顿力学来说明。20 世纪 20 年代，量子力学建立了，它能够很好地描述微观粒子运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用。那是不是说明牛顿力学过时了 我们是否仍要学习牛顿力学呢 基于实验检验的牛顿力学不会被新的科学成就所否定，而是作为某些条件下的特殊情形，被包括在新的科学成就之中。 师：牛顿力学取得的伟大成就有哪些 从地面上物体的运动到天体的运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动，从投出篮球到发射导弹、人造地球卫星、宇宙飞船……所有这些都服从牛顿力学的规律。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。 师：回过头看相对论等理论的发展历程，你觉得科学理论的发展有何特点 科学理论具有相对稳定性，又是不断发展的，人类对自然的探索是永无止境的，每一代人都有继续探究的责任。 师：最后做个小结，本节课我们一起感受了牛顿力学在高速世界与事实的矛盾，知道了牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。也知道了相对论、量子论有助于人类认识高速、微观领域，科学真理是相对的，未知世界必将在人类不懈探索中被揭开更多的谜底。这是本节课的课后实践任务，请大家认真完成。谢谢观看，同学们再见。 体会经典力学在微观和高速领域的局限性，回顾经典力学取得的伟大成就，体会人类探索真理的艰辛与责任感 引导学生回顾经典力学的伟大成就，坚定学习经典力学的信心，引发学生对未知的世界的探索欲望。