7.5 《相对论时空观与牛顿力学的局限性》教案—2020-2021学年【新教材】人教版（2019）高中物理必修第二册word版含答案

第7章 万有引力与宇宙航行
第5节 相对论时空观与牛顿力学的局限性
教学内容分析
《相对论时空观与牛顿力学的局限性》是《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》必修课程必修2模块中“牛顿力学的局限性与相对论初步”主题的内容，内容要求为：知道牛顿力学的局限性，体会人类对自然界的探索是不断深入的。初步了解相对论时空观。关注宇宙起源和演化的研究进展.《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)解读》对条目的解读为：要求学生知道牛顿运动定律是有一定适用范围的，它只适用于宏观物体，只适用于相对光速来说的低速运动物体，对微观粒子的运动，对跟光速可比的高速运动，牛顿运动定律无法解释。由此体会科学是一个永恒的探究过程，在发现原有理论不能解决新的问题之后，就需要突破原有理论的局限性，建构新的理论模型，从而推动人类对自然界的认识不断深化。要求学生初步了解相对论时空观和经典力学时空观的区别。在牛顿运动定律中，一个事件经历的时间长短，一个物体长度的大小，都被认为是不变的，时间和空间没有联系，这是经典力学的绝对时空观；但对高速运动情境来说，时间长短、长度大小都是相对的，跟速度的大小有确定的关系，这是爱因斯坦提出的相对论时空观。教学中可以介绍狭义相对论和广义相对论的几个主要观点以及主要观测证据，如星光偏折、引力波的发现等，引导学生将观点和证据联系起来，强化学生的证据意识，进一步发展科学论证能力和现代物理观念。引导学生关注宇宙学研究的新进展。宇宙的构成和演化是人类正在探索的重要科学问题，是中学生感兴趣的话题，近几年有不少新的发现，如暗物质和暗能量。可以让学生查阅相关资料、写小论文或举办讨论会等活动，拓展学生的知识面，进一步深化对科学本质的认识。
学情分析
学生已经学习完牛顿运动定律和万有引力定律，知道相对于不同的参考系同一个物理过程经历的时间是相同的，物体的长度和惯性系的选取不同，对牛顿绝对时空观有一定的认识。通过万有引力定律内容的学习，已经能计算天体质量和卫星发射原理，学生对经典物理取得的成就已经有了丰富的认识。但由于相对论时空观与日常经验差别很大，学生缺乏定性的经验认识，教学时要注重从物理发展史的角度介绍历史上出现的新现象与经典物理学的矛盾，让学生认识到经典物理学并不是绝对的真理，科学理论永远在不断发展，改进。
教学目标
1.学生感受牛顿力学在高速世界与事实的矛盾，知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。知道相对论、量子论有助于人类认识高速、微观领域。
2.学生知道爱因斯坦狭义相对论的基本假设，知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。
3.学生了解宇宙起源的大爆炸理论，知道科学真理是相对的，未知世界必将在人类不懈的探索中被揭开更多的谜底。
教学重难点
教学重点：相对论时空观和牛顿力学的局限性
教学难点：初步理解时间延缓效应和动尺收缩效应
教学方法：讲授法、启发式教学、讨论法
教学过程
新课引入
从文艺复兴开始的近代科学革命，经过伽利略、第谷、开普勒等人的工作，科学取得很大进步，这种发展到牛顿那里达到顶峰.科学虽进展缓慢，但科学成就是伟大的，经典力学的成就体现在生活的方方面面.
然而，经典力学并不是完美的科学理论,有其适用的局限性……
新课教学
1.相对论时空观
情境：子弹射击和卫星绕地球做圆周运动

问题1：子弹的速度大约是多少？人造近地地球卫星绕地球做圆周运动的线速度大小是多少？
问题2：这些速度大吗？和光速相比较如何？
问题3：船相对水的速度微v船水，水流相对于河岸的速度是v水岸，船相对于岸上的观测者速度是多少？
问题4：人在车上随车一起运动，车速为v，人打开一束激光，对于地面上的观测者，激光的速度是v+c吗？
问题5：船在水中运动一段时间，船上的人用时钟测量船的运动时间为t船，岸上的人测得时间为t岸。两个观察者测得的时间相同吗？
问题6：牛顿的绝对时空观念，对时间和空间是如何认识的？时间和空间有关系吗？绝对时空观和日常经验符合吗？
教师介绍经典时空观对时间和空间的认识：绝对的、真实的和数学的时间，按其固有的特性而均匀地流逝，与一切外在事物无关。绝对空间：其自身特性与一切外在事物无关，处处均匀，永不移动。
19世纪，英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言电磁波的存在，后被德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹于1888年证实.理论预言电磁波在真空中的传播速率均为c.关于电磁波速率的参考系问题引发争论，一种观点认为电磁波速率是相对于以太而言的。
美国科学家迈克尔孙和莫雷通过实验证明电磁波相对于以太的速率为c的假设是错误的.实验发现：在不同的惯性系中，光的传播速度相同.
著名物理学家爱因斯坦提出经典物理理论只适用于低速现象，对于高速现象，经典物理理论不再适用。爱因斯坦提出两条基本假设：
(1)狭义相对性原理
一切物理规律在任何惯性系中具有相同形式.
(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相同.
爱因斯坦从两条基本原理推导出新的重要结论，建立相对论时空观。
同时的相对性
火车系：光同时到达前璧和后壁.
地面系：光先到达后壁，后到达前壁.
时间延缓效应
S'中的某事件(例如S '系中的人睡了一段时间)，S '中的钟表B测得的时间为?τ。 S系中的时钟A测得的时间为
false
即运动的钟(指S' 中的钟)变慢(所谓变慢，是指走时率变慢)。在运动参考系钟的时间节奏变慢，在其中一切物理、滑雪过程乃至自己的生民节奏都变缓了。
长度收缩效应
直尺静止在S '中，长度为l0.S系中的观察者测得直尺长度为，
falsefalse例题 宇宙射线与大气相互作用能产生π介子，介子会发生衰变而放出μ子。μ子的速度v=0.99c。已知静止μ子的平均寿命t0为3.0μs.在地面系看来，平均寿命是多少？
答案：false
2.牛顿力学的成就与局限性
投影图片，展示牛顿力学在生活、工业生产中的重大应用。
介绍水星轨道旋进现象，牛顿引力理论无法解释。根据经典力学,行星轨道是闭合的椭圆.天文观测发现,内行星的轨道不是闭合椭圆,近日点不断进动.尤其以水星最为明显,每百年43″的进动利用经典理论无法解释.
水星的公转轨道不断在旋进
广义相对论：物质告诉时空如何弯曲， 时空告诉物质如何运动.——惠勒

时空弯曲
爱因斯坦提出的广义相对论认为：物质会使其周围的时空发生弯曲，天体绕中心天体运动不是因为受到引力，而是时空弯曲造成的结果。引力是时空弯曲的几何表现。
对广义相对论的验证：1919年5月29日日食期间，英国皇家学会和皇家天文学会组织的两只远征队分别由爱丁顿和克罗姆林领导，赶赴巴西和西非，利用日全食的机会首次观测光线偏折效应，观测结果与广义相对论的预言一致.
作业：观看《国家地理频道纪录片：宇宙时空之旅》纪录片
板书设计
§5 相对论时空观与牛顿力学的局限性
相对论时空观
同时的相对性
时间延缓效应
动尺缩短效应
牛顿力学的成就与局限性
七、教学反思
本节内容教学要求较低，要求学生初步了解相对论时空观，知道任何科学理论都是在不断发展着的。相对论时空观和经典力学差别很大，虽然难以理解但是学生对这部分内容很感兴趣。国家地理频道拍摄的《宇宙时空之旅》系列纪录片是一部优秀作品，通过现代技术展现科学世界，视觉效应震撼，能激发学生的探索欲望和好奇心，值得每一个学生去观看。