优秀教案系列
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第5节相对论时空观与牛顿力学的局限性
教学分析
教学分析
教学目标
1.感受牛顿力学在高速世界与事实的矛盾,知道牛顿力学规律只适用于低速、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.知道爱因斯坦相对论的基本假设,知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。
3.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解开更多的谜底。
教学重难点
牛顿运动定律的适用范围。
高速运动的物体,速度和长度、时间的关系。
教学方法
探究、讲授、讨论、练习
课时安排
1课时
教学准备
多媒体辅助、学案
教学
教学设计
一、情境导入
神话故事和视频展示导入
[故事展示]在相对论物理学的教科书中,通常描写着一个使人难以理解的故事,一对年轻的孪生兄弟,哥哥乘坐一艘接近光速运动的宇宙飞船,从地球出发,在太空遨游一圈之后返回地球,使人瞠目结舌的事发生了,他的弟弟早已是两鬓斑白,满脸皱纹的古稀老人,而他自己却还是一个十七八岁的英俊少年。
[视频展示]观看爱因斯坦相对论的视频。
二、新课讲授
(一)绝对时空观
绝对时空观与光速不变实验之间的矛盾发生在高速世界中的现象,学生是陌生的,也是很难想象的。这部分内容的教学用问题引导、学生阅读和师生讨论的方式来进行。
[情境设问]绝对时空观与光速不变实验之间的矛盾。
[提出问题]下图为高速列车行驶时车厢内显示的列车速度,列车上的乘客观察到车厢内的时间、长度与地面上的观察者看到的相同吗?时间和空间都不会因为物体的运动而改变的观念叫什么?
[学生回答]相同,绝对时空观。
[提出问题]假如测得的光速是1.2c,这与之前我们知道的光速c是自然界最快的速度矛盾吗?
[学生回答]矛盾。
[提出问题]电磁波(光)传播的速度是c。有没有指明这个速度是相对哪个参考系的?如果没有指明,说明了什么?有实验证据吗?
[学生回答]没有,光速的大小不受参考系的影响。
[提出问题]迈克耳孙—莫雷实验的直接结果是什么?这一结果与我们熟悉的速度合成相同吗?
[学生回答]在不同的参考系中,光的传播速度都是一样的。不同。
[提出问题]在力学理论与实验结果有矛盾时,不同的物理学家处理的方法有何差异?
[学生回答]一些物理学家仍然坚持原有理论的基础观念,进行一些修补工作。而爱因斯坦、庞加莱等人则主张彻底放弃某些与实验和观测不符的观念。
[提出问题]为了解决上述矛盾,爱因斯坦做了什么?两个假设的内容是什么?
[学生回答]爱因斯坦假设:在不同的参考系中,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考系大小都是相同的。
(二)相对论时空观
【情境设问】阅读教材,思考:
[提出问题]在牛顿力学和狭义相对论中,位移和时间的测量在不同参考系中有何区别?
[学生回答]牛顿力学中参考系不同,位移和时间的测量结果不同。
[提出问题]从物体运动速度的方面看,牛顿力学的适用范围是什么?
[学生回答]宏观、低速运动的物体。
[教师总结]牛顿力学只适用于低速运动,不适用于高速运动。
(三)牛顿力学的成就与局限性
【情境设问】阅读教材,思考:
[提出问题]主要有哪些物理学家对牛顿力学作出了突出的贡献?
[学生回答]哥白尼,伽利略,笛卡尔,惠更斯,开普勒。
[提出问题]牛顿力学的成就有哪些?
[教师展示]
1.牛顿运动三定律和万有引力定律把天体的运动与地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。
2.牛顿力学的基础,在以后的二百多年里几乎统治了物理学的各个领域。
3.牛顿力学和以牛顿力学为基础发展起来的天体力学、材料力学和结构力学等得到了广泛的应用,并取得了巨大的成就。
4.18世纪60年代,力学和热力学的发展及其与生产的结合,使机器和蒸汽机得到改进和推广,引发了第一次工业革命。
5.由牛顿力学定律导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等,是航空航天技术的理论基础。火箭、人造地球卫星、航天飞机、宇宙飞船、行星探测器等航天器的发射,都是牛顿力学规律的应用范例。
[提出问题]牛顿力学有哪些局限性?
[学生回答]微观世界里电子、质子、中子等具有的粒子性、波动性不能用牛顿力学来说明。
[提出问题]归纳牛顿万有引力定律与爱因斯坦引力理论的主要差异?
[学生回答]规律的适用范围不同。
[提出问题]当相对论和量子力学出现后,牛顿力学是否还有价值?它的适用条件是什么?
[学生回答]相对论和量子力学的出现,说明人类对自然界的认识更加广泛和深入,而不