《人教版(2019)高中物理必修二教案》7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性 教案

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7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性
〖教材分析〗
本节是全章最后一部分内容，也属于介绍性质内容，它可以拓展学生的知识面、
展示科学探究的无限可能，建立科学思想、科学的思维方法，培养科学精神等。本节
教材先介绍相对论时空观，将时间与空间和光速联系起来，让学生体会物理学理论的
发展和局限性。通过对相对论和量子力学的介绍，更加完善了物理学大厦，也能让学
生认识到科学的无限可能。
〖教学目标与核心素养〗
物理观念：了解相对论-量子论的建立对人类深入了解客观世界的作用，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，知道生有涯、知无涯的唯物主义世界观。
〖教学重点与难点〗
重点：了解经典力学的局限性。
难点：了解相对论、量子力学于牛顿力学的关系。
〖教学准备〗
多媒体课件
〖教学过程〗
一、新课引入
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？
飞船的速度是 0.2c，而光速就是 c，也就是说在没有发出光子的时候，光子已经
有 0.2c 的速度了。最后接收到的是多少呢？我们来学习相对论时空观与牛顿力学的局
限性。
二、新课教学
什么是时间？
1.河水、树木，这是个事件还是个事物？
2.河水在流动，树木在生长呢？
3.如果没有了时间，水还流动吗，树木还在生长吗？
1
4.要是没有空间树木往哪里长，水往哪里流呢？
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。
思考问题：若河中的水以相对于岸的速度 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为？
v船岸=v
船
水+v水岸
因此，针对导入的问题，则有
v光观=v
光
船+v船观
根据题意 v
光
船=c，观测者看到飞船的速度 v船观=0.2c，所以代入数据则有似乎应为
1.2c 然而，事实并非如此！因为这样的速度太快了，已经超过光速了。与相对论时空
观相违背。那相对论的时空观是怎么样的呢？
（一）相对论的时空观
1.麦克斯韦电磁场理论的建立
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 C。
问题：这个速度是相对哪个参考系而言的？
2.迈克耳孙一莫雷实验
实验表明： 在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的！这与牛顿力学中不同
参考系之间的速度变换关系不符。
3.爱因斯坦的假设：在不同的惯性参考系中，物理规律的 形式都是相同的；真空
中的光速在不同的惯性参号系中大 小都是相同的。
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。车上
的观察者以车厢为参考系，因为车厢是个惯性系，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。
对于车下的观察者来说，他以地面为参考系，
因闪光向前、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。他观测到
的结果应该是：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。
①时间延缓效应
2
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