（核心素养）7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 教案（表格式）
文档属性
| 名称 | （核心素养）7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 教案（表格式） |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 212.3KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2024-06-13 18:57:57 | ||
图片预览
文档简介
教学设计
课程基本信息
课题 相对论时空观与牛顿力学的局限性
教学目标
1. 知道以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围。 2.知道相对论效应、时间空间相对性。 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。 科学思维:经历科学家建立相对论的思维探索过程，认识科学思维的意义。 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。 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： 了解经典力学的局限性。
教学难点： 了解相对论、量子力学与经典力学的关系。
教学过程
教师活动 设计意图
牛顿力学时空观时 同学们在学习过程中会体会到在经典力学中，牛顿力学时空观里，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。所以不管选什么参考系，不管物体怎么运动，物体的时间、长度、质量等等的测量结果肯定是一样。 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。 思考：若河中的水以相对于岸速度 V水岸 流动，河中的船以相对于水的速度 V船水 顺流而下，则船相对于岸的速度V船岸如何表示？ V船岸=V船水+V水岸 这个公式本质上是参考系的变换。 伽利略变换，是牛顿经典力学研究相对运动问题的基本法则。 思考：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束激光，该星球上的观察者测量到的激光的速度是否为1.2c。 根据公式 地球上测量的激光的速度应为1.2c。 提问：真的是这样吗？ 随着物理学的进一步发展，让科学家对上面的1.2c产生了质疑，首先是十九世纪，英国科学家麦克斯韦，提出了电磁场理论，预言了电磁波的存在，并从理论上证明了，电磁波传播的速度等于光速，而且似乎这个速度无需参考系，是个常数。 配图（麦克斯韦） 后来的光速测量实验更是让无数物理学家困惑。 配图（迈克尔逊） 1887年的迈克尔逊-莫雷实验。这个实验中，他们二人想测量由于地球公转引起的公转切线方向和垂直黄道面方向的光速差异，最后竟然发现两个方向上的光速没有区别，这就证明了在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的！ 讲解：从上面可以看到，不存在1.2c的光速，光速相对于任何参考系都是c。 经典力学的基础，伽利略变换失效了。 开尔文：“物理学大厦上空的乌云” 提问：是坚持牛顿力学还是尊重事实？ 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，如绝对时间的观念。 爱因斯坦在实验事实的基础上，大胆提出两个假设。 相对论时空观 （1）相对性原理：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。（举例解释） （2）光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中，大小都是相同的。（强调记忆） 思考讨论:在经典物理学中，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，如果按照爱因斯坦的两个假设，还是这样吗 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 （2）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？ 分析： 如图所示: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。 （2）如图，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，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。 区别于牛顿力学时空观，运动的物体，不同参考系中，“同时”是相对的。运动对时间产生了影响。 时间延缓效应 小于1，所以t0总是大于t。同一过程，地面上的人用时长。 这种现象叫时间延缓效应。 长度收缩效应 如果以地面为参考系的人测量杆长为l，火车上相对杆静止的人测得杆时l0 由于 小于1，所以沿着火车前进的方向总有l小于l0。此种情况称之为长度收缩效应。 上面两个公式表明，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意义，被称为相对论时空观。 提问：两个效应如何验证呢？ 宇宙射线与大气中的分子发生碰撞，可以在离海平面大约8公里高处产生接近光速的高能μ子，由于μ子是一种不稳定的粒子，实验室测得其静止时平均寿命只有3微秒。 由牛顿力学时空观得： 结论：几乎没有μ子可以到达地面。 事实：在地面上可以观测到大量的μ子。 提问：如何解释？ 由相对论时空延缓效应得： μ子静止时平均寿命是3.0μs，假设高空中μ子以0.99c的速度飞行。 若选μ子为参考系，μ子的平均寿命为t1=3.0μs； 由时间延长效应可得： 若以地面为参考系，μ子的平均寿命为t2 地面观察者的前进距离是地面观察者的前进距离是 由于是平均寿命，大约有一半的高空μ子可以到达地面。 这里我们看到牛顿力学失效了，随着高能，高速，微观物理学的发展，有很多牛顿力学解释不了的现象，那么牛顿力学是否还有价值？ 答案是肯定的！ 从三大定律的建立，到把天上和地面物体的力统一起来，从海王星，冥王星的发现，到现在的宇宙探测，导弹发射。身边的机械工程，建筑设计都离不开牛顿力学。他是人类历史上最辉煌的成就，是人类科技史上的丰碑。 牛顿力学也有很多解释不了的现象。 他的适用条件是什么？ 当物体运动速度v远小于c时， 趋近于1。此时t0=t，l=l0，与牛顿经典力学的时空观一致。 原来牛顿的经典力学是相对论在远小于光速情况下的特例。 我们可以总结到： 适用于速度远小于光速c，接近光速时用相对论。 适用于h可以忽略不计时，微观尺度用量子力学。 万有引力定律取得了辉煌成就，但是真理是相对的，没有理论可以穷尽一切真理。 相对论是不是就是最终的理论呢？它会不会是更高维度时间空间的特殊情况呢？这都值得我们去探索。 引入时强调时间空间的独立性，不被运动影响。 复习伽利略变换，强调其为牛顿力学的基础，为矛盾引入做准备 体验相对运动，引起认识冲突 介绍迈克尔逊—莫雷实验的设计思路和实验结果，用经典实验震撼学生的心理，形成认知落差，体验科学家的研究工作，落实科学本质与责任素养教学。 根据科学发展背景等“文献”前述介绍，引导学生建立相对论两条假设。 创设理想实验情景，逻辑演绎同时相对性、时间延缓效应和长度收缩效应 创设理想实验情景，通过动画辅助，并推导相关结论。 介绍宇宙粒子入侵地球事实，引导学生计算讨论粒子寿命问题。 打破经典时空观束缚，切换思维 认识牛顿物理与相对论物理之间的关系 人类的认识进步永不停歇，理论被不断完善， 小结
课程基本信息
课题 相对论时空观与牛顿力学的局限性
教学目标
1. 知道以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围。 2.知道相对论效应、时间空间相对性。 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。 科学思维:经历科学家建立相对论的思维探索过程，认识科学思维的意义。 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。 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： 了解经典力学的局限性。
教学难点： 了解相对论、量子力学与经典力学的关系。
教学过程
教师活动 设计意图
牛顿力学时空观时 同学们在学习过程中会体会到在经典力学中，牛顿力学时空观里，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。所以不管选什么参考系，不管物体怎么运动，物体的时间、长度、质量等等的测量结果肯定是一样。 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。 思考：若河中的水以相对于岸速度 V水岸 流动，河中的船以相对于水的速度 V船水 顺流而下，则船相对于岸的速度V船岸如何表示？ V船岸=V船水+V水岸 这个公式本质上是参考系的变换。 伽利略变换，是牛顿经典力学研究相对运动问题的基本法则。 思考：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束激光，该星球上的观察者测量到的激光的速度是否为1.2c。 根据公式 地球上测量的激光的速度应为1.2c。 提问：真的是这样吗？ 随着物理学的进一步发展，让科学家对上面的1.2c产生了质疑，首先是十九世纪，英国科学家麦克斯韦，提出了电磁场理论，预言了电磁波的存在，并从理论上证明了，电磁波传播的速度等于光速，而且似乎这个速度无需参考系，是个常数。 配图（麦克斯韦） 后来的光速测量实验更是让无数物理学家困惑。 配图（迈克尔逊） 1887年的迈克尔逊-莫雷实验。这个实验中，他们二人想测量由于地球公转引起的公转切线方向和垂直黄道面方向的光速差异，最后竟然发现两个方向上的光速没有区别，这就证明了在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的！ 讲解：从上面可以看到，不存在1.2c的光速，光速相对于任何参考系都是c。 经典力学的基础，伽利略变换失效了。 开尔文：“物理学大厦上空的乌云” 提问：是坚持牛顿力学还是尊重事实？ 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，如绝对时间的观念。 爱因斯坦在实验事实的基础上，大胆提出两个假设。 相对论时空观 （1）相对性原理：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。（举例解释） （2）光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中，大小都是相同的。（强调记忆） 思考讨论:在经典物理学中，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，如果按照爱因斯坦的两个假设，还是这样吗 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 （2）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？ 分析： 如图所示: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。 （2）如图，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，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。 区别于牛顿力学时空观，运动的物体，不同参考系中，“同时”是相对的。运动对时间产生了影响。 时间延缓效应 小于1，所以t0总是大于t。同一过程，地面上的人用时长。 这种现象叫时间延缓效应。 长度收缩效应 如果以地面为参考系的人测量杆长为l，火车上相对杆静止的人测得杆时l0 由于 小于1，所以沿着火车前进的方向总有l小于l0。此种情况称之为长度收缩效应。 上面两个公式表明，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意义，被称为相对论时空观。 提问：两个效应如何验证呢？ 宇宙射线与大气中的分子发生碰撞，可以在离海平面大约8公里高处产生接近光速的高能μ子，由于μ子是一种不稳定的粒子，实验室测得其静止时平均寿命只有3微秒。 由牛顿力学时空观得： 结论：几乎没有μ子可以到达地面。 事实：在地面上可以观测到大量的μ子。 提问：如何解释？ 由相对论时空延缓效应得： μ子静止时平均寿命是3.0μs，假设高空中μ子以0.99c的速度飞行。 若选μ子为参考系，μ子的平均寿命为t1=3.0μs； 由时间延长效应可得： 若以地面为参考系，μ子的平均寿命为t2 地面观察者的前进距离是地面观察者的前进距离是 由于是平均寿命，大约有一半的高空μ子可以到达地面。 这里我们看到牛顿力学失效了，随着高能，高速，微观物理学的发展，有很多牛顿力学解释不了的现象，那么牛顿力学是否还有价值？ 答案是肯定的！ 从三大定律的建立，到把天上和地面物体的力统一起来，从海王星，冥王星的发现，到现在的宇宙探测，导弹发射。身边的机械工程，建筑设计都离不开牛顿力学。他是人类历史上最辉煌的成就，是人类科技史上的丰碑。 牛顿力学也有很多解释不了的现象。 他的适用条件是什么？ 当物体运动速度v远小于c时， 趋近于1。此时t0=t，l=l0，与牛顿经典力学的时空观一致。 原来牛顿的经典力学是相对论在远小于光速情况下的特例。 我们可以总结到： 适用于速度远小于光速c，接近光速时用相对论。 适用于h可以忽略不计时，微观尺度用量子力学。 万有引力定律取得了辉煌成就，但是真理是相对的，没有理论可以穷尽一切真理。 相对论是不是就是最终的理论呢？它会不会是更高维度时间空间的特殊情况呢？这都值得我们去探索。 引入时强调时间空间的独立性，不被运动影响。 复习伽利略变换，强调其为牛顿力学的基础，为矛盾引入做准备 体验相对运动，引起认识冲突 介绍迈克尔逊—莫雷实验的设计思路和实验结果，用经典实验震撼学生的心理，形成认知落差，体验科学家的研究工作，落实科学本质与责任素养教学。 根据科学发展背景等“文献”前述介绍，引导学生建立相对论两条假设。 创设理想实验情景，逻辑演绎同时相对性、时间延缓效应和长度收缩效应 创设理想实验情景，通过动画辅助，并推导相关结论。 介绍宇宙粒子入侵地球事实，引导学生计算讨论粒子寿命问题。 打破经典时空观束缚，切换思维 认识牛顿物理与相对论物理之间的关系 人类的认识进步永不停歇，理论被不断完善， 小结