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7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性的教案
【教学目标】
一、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、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。
二、核心素养
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和量子论的思维探索过程，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
【教学重难点】
教学重点：1.狭义相对论的两个基本假设；
2.了解时间延缓效应和长度收缩效应。
教学难点：经典力学与相对论力学、量子力学的理解。
【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？
【教师引导】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。
【新课讲解】
相对论时空观
教师阐述：牛顿力学理论之所以为人们接受承认，一方面是牛顿力学在解决力学问题获得的巨大成功；另一方面观察结果与人们的经验相符。但是十九世纪中叶，人们在研究与物体运动有关的电磁现象时，发现在电磁现象的规律不符合相对性原理。
学生快速浏览教材第65页最后两自然段的内容，讨论思考分析。
教师投放内容并解释：在不同的参考系中，测得的光在真空的速率都是相同的。这一结论还特别为后来的很多精确的实验所证实，最著名的是1887年迈克尔逊和莫雷所做的实验。它们都明确无误地证明光速的测量结果与光源和测量者的相对运动无关，亦即与参考系无关。
牛顿力学理论与电磁波理论的矛盾与冲突，促使人们思考下述问题：绝对时空观的观念是不是需要修正
1.爱因斯坦的假设
20世纪最伟大的科学家爱因斯坦对这个问题进行了深入研究，并在1905年发表了论文《论动体的电动力学》在这篇论文里对上述问题作出了对整个物理学界乃至整个科学界都有变革意义的回答。在这篇论文中，爱因斯坦提出了两个假设：
(1)在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的——爱因斯坦相对性原理；
(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的——光速不变原理。
爱因斯坦相对性原理和牛顿相对性原理比较，前者是后者的推广，这就使得相对性原理不仅适用于力学现象，而且适用于所有物理现象，包括电磁现象在内。
爱因斯坦的光速不变原理告诉我们，不管光源与观察者的相对运动如何，在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的光速都是相等的。
学生阅读教材，结合刚才的分析，讨论交流，完成下表：
(3)观念上的变革
经典时空观 狭义相对论时空观
光速 相对的 绝对的（不变）
同时 绝对的 相对的
时间与空间 与运动无关，绝对的 与运动有关，相对的
质量 与运动无关，不变的 随速度增加而增大（相对的）
2.同时相对性
教师通过多媒体投放图片，引导学生阅读教材第66~67页内容，思考讨论：
设想一列火车以速度v匀速向右运动，火车中央有一信号灯，在某时发出一光信号。甲乙两人观察到的现象是否相同？
学生相互交流讨论，在教师引导下得出结论：
（1）沿两惯性系相对运动方向发生的两个事件，在其中一个惯性系中表现同时，在另一惯性系中观察总是在前一惯性系运动的后方那一事件先发生。
（2）对不同参考系，同样两事件之间的时间间隔是不同的。即：时间量度是相对的，并且与相对运动速度有关。
通过学生阅读教材以及相互讨论，师生共同梳理知识。
3.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，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，那么两者之间的关系是：，由于，所以总有，此种情况称为时间延缓效应。
4.长度收缩效应(动尺变短)
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：，由于，所以总有l< l0，此种情况称为长收缩效应。
特别注意：长度收缩效应只发生在相对运动的方向上。
（三）牛顿力学的成就与局限性
教师投放问题，引导学生阅读教材第68页并思考问题：
（1）牛顿力学取得了哪些辉煌的成就？举例说明。
（2）牛顿力学在哪些领域不能适用？能说出为什么吗？举例说明。
（3）牛顿力学的适用范围是什么？自己概括一下
（4）相对论和量子力学的出现是否否定了牛顿力学 应该怎样认识
学生阅读教材，分组讨论，代表发言。
教师倾听学生代表的发言，和其他学生一起点评、补充。
牛顿力学的成就与局限性
像一切科学一样，牛顿力学没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性。它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交响曲”。
1、牛顿力学的成就
（1）经典力学的基础是牛顿运动定律，牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔区域，包括天体力学的研究中，经受了实践的检验，取得了巨大的成就。
（2）。牛顿运动三定律和万有引力定律把天体的运动与地面上物体的运动统一起来，是人类对自然界认识的第一次大综合，是人类认识史上的一次重大飞跃。
牛顿力学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
2、局限性
（1）物体在以接近光速运动时所遵从的规律，有些是与牛顿力学的结论并不相同的。所以经典力学只适用于物体的低速运动。
（2）在微观世界中，发现了电子、质子、中子等微观粒子，而且发现它们不仅具有粒子性，同时还具有波动性，量子力学能很好地描述微观粒子的运动规律。经典力学不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象
（3）经典力学规律只在惯性参考系中成立
经典力学规律只能用于宏观、低速（与光速相比）的情形，且只在惯性参考系中成立。
说明
（1）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。
（2）当物体的运动速度远小于光速c时（c＝3×108m/s），相对论物理学与经典物理学的结论没有区别；
（3）当另一个重要常数即普朗克常量h可以忽略不计时
（h＝6.63×10-34J·s），量子力学和牛顿力学的结论没有区别。
（4）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。
科学漫步1．宇宙的起源与演化
我们的宇宙是在约138亿年以前从一个尺度极小的状态发展演化来的。在这个过程中，宇宙的温度从高到低，先是生成一些基本粒子形态的物质，接着产生了原子、分子等各种物质，物质再进一步聚集起来形成星系，成为我们今天看到的宇宙。
出示图片：普朗克探测器记录下的微波天空
2．恒星的演化
阅读课文说一说恒星是如何诞生的？
根据大爆炸宇宙学，大爆炸10万年后，温度下降到了3000K左右，出现了由中性原子构成的宇宙尘埃。由于万有引力的作用，形成了更密集的尘埃。尘埃像滚雪球一样越滚越大，形成了气体状态的星云团。星云团的凝聚使得温度升高，到一定程度星云团就开始发光，于是，恒星诞生了。
【板书】
7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性
一、绝对时空观
1.惯性参考系：牛顿定律适用的参考系；相对惯性系做匀速直线运动的参考系。
2.对于任何惯性参考系，牛顿定律都成立，这也就是说，对于不同的惯性参考系，力学的基本定律——牛顿定律的形式是一样的。
3.绝对时空观：时间和空间都是独立于物体及其运动而存在的，即时间和空间不受物体和运动的影响。①同时绝对性；②时间间隔的绝对性；③空间距离的绝对性；④质量恒定不变。
二、相对时空观
1.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。
2.时间延缓效应：
3.长度收缩效应：
三、牛顿力学的成就与局限性
1.牛顿力学只适用于处理物体的低速运动()。
2.牛顿力学不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象。
3.牛顿力学规律只在惯性参考系中成立。

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