《75相对论时空观与牛顿力学的局限性》教学设计导学案同步练习.docx
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《75相对论时空观与牛顿力学的局限性》教学设计导学案同步练习
《7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性》教学设计
相对论时空观与牛顿力学的局限性
单元7
年级
・•»♦
咼一
本节课所采用的教材是人教版高中物理必修第二册第七章第5节的内容。
本节内
容是学习完经典力学以后所做的介绍性质内容，它可以拓展学生的知识面.展示
教材
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，在悄感、
分析
态度与价值观方面发挥应有的教育功能。
本节教材先介绍相对论时空观，并给出
了时间延缓效应，长度收缩效应。
然后讲解了牛顿力学的成就与局限性，让学生
体会任何学科都有局限性，并不是牛顿力学过时了，要理解各自成立的条件。
1.知道以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范圉。
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M的讨论，使学生知道物理中的结论和规律一般都有
其适用范圉，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
教学
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
目标
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认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代
教学
了解经典力学的局限性
重点
教学
了解相对论、量子力学与经典力学的关系
难点
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计•意图
导入新课
经典力学的基础是牛顿运动定律,万有引力定律
更是树立了人们对牛顿物理学的尊敬。
通过前面的学习，我们知道从天体的运动到地面
上的各种物体的运动，从大气的流动到地壳的变
动，所有这些都服从经典力学规律。
那么，是不
是任何悄境下都遵从经典力学的规律呢?
学生回顾已
学知识并思
通过问题引
发学生的思
考从而引起
学生学习的
兴趣
讲授新课
一.牛顿力学时空观
1、牛顿力学时空观
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。
阅读课文了
让学生通过
在牛顿力学时空观里，时间像一条看不见的“长
自主阅读获
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tt定是一样的。
思考1：
若河中的水以相对于岸的速度V榊流动,
河中的船以相对于水的速度V林顺流而下，则船
相对于岸的速度V神如何表示?
思考2：
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
度是否为1.2c?
出示图片：
飞船向正前方的某一星球发射一束激
问题的答案似乎应为1.2c,然而，事实并非如
此！
因为经典力学不再适用。
经典力学只适用于
解决低速运动问题，不能用来处理高速运动问
牛顿力学时
空观
学生思考回
学生思考讨
取信息，培
养学生阅读
理解能力,
同时培养学
生良好的自
学习惯。
锻炼学生的
逻辑思维能
了解经典力
学只适用于
解决低速运
题，要解决这一问题就需要用到相对论时空观。
二、相对论时空观
思考：
19世纪，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这个速度是相对哪个参考系而言的？
出示图片：
麦克斯韦英国物理学家、数学家出示图片：
迈克尔逊：
波兰裔美国藉物理学家。
1887年的迈克耳孙一莫雷实验以及其他一些实验表明：
在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的所以证明电磁波的传播速度等于光速C,无论对于哪个参考系而言都是一样的。
学生阅读课
文思考
动问题，不能用来处理高速运动问题
了解不同的参考系中，光的传播速
1、爱因斯坦的两个假设
度都是一样
（1）相对性原理：
在不同的惯性参考系中，物
的
理规律的形式都是相同的;表明在任何惯性系中
研究某个物体的某一运动过程，其运动规律形式
不变。
学生注意听
（2）光速不变原理：
真空中的光速在不同的惯
讲理解
性参考系中大小都是相同的。
表明了经典时空观
与相对论时空观的不同。
2.相对论时空观的内容
掌握爱因斯
认为时间和空间是相互联系、相互影响的，并且
坦的两个假
与物质的存在及运动有关。
设：
相对性
思考讨论：
在经典物理学中，如果两个事件在一
原理和光速
个参考系中是同时的，在另一个参考系中一定也
不变原理
是同时的。
但是，如果按照爱因斯坦的两个假设，
结论还是这样吗？
根据爱因斯坦假设：
真空中的光速在不同的惯性
参考系中大小都是相同的，两个事件在一个参考
系中是同时的，在另一个参考系中不一定也是同
时的。
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?
<1）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?
参考答案:
（1）如图屮所示：
因为车厢是个惯性系，闪光
向询.后传播的速率相同，光源乂在车厢的中央,
闪光当然会同时到达前后两壁。
8
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，闪光向询、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即：
闪光先
到达后壁，后到达前壁因此，这两个事件不是同
学生阅读课
文思考讨论
学生讨论回
通过课文上
的举例理解
两个事件在
一个参考系
中是同时
的，在另一
个参考系中
不一定也是
同时的,
通过讨论帮
助学生进一
步理解爱因
斯坦的假
时发生的。
3、时间延缓效应
At=
况称为时间延缓效应。
4、长度收缩效应
两者之间的关系是
长度收缩效应。
的运动状态有关。
称作相对论时空观。
I=
如果相当于地面以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^T,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At,则
V
山于1一（-）"
所以总有At>AT,此种悄C
如果与杆相对静止的人测得杆长是厶，沿着杆的
方向，以V相对杆运动的人测得杆长是厶那么
（2）
III于1一（上）2〈1,所以总有』<厶，此种悄况称为C
（1）武和
（2）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
这个结论具有革命性的意义，它所反映的时空观
爱尔兰物理学家佛兹杰拉德提出，物质会在运动
的方向上收缩（缩小），这意味着根据一个静止
观察者的观点，一枚以接近光线运行的火箭所表
现出的长度会比它静止时更短，尽管乘坐火箭的
学生倾听记
忆公式
阅读课文掌
杆相对静止
的人测得杆
着杆的方
向，以V相
对杆运动的
设，了解时
间具有延缓
效应
掌握时间具
有延缓效应
人看来并没有什么两样。
爱因斯坦指出，任何物体以光速运动时，其长度
将会缩短为零。
思考与讨论：
已知A子低速运动时的平均寿命是
3.OPS。
当卩子以0.99c的速度飞行，若选择A
子为参考系，此时卩子的平均寿命是多少？
对于
地面上的观测者来说，平均寿命乂是多少?
相对于光速而言，低速运动即可近似认为速度为
0,即若选择与卩子一起运动的某一物体为参考
系，此时卩子的平均寿命是3.0AS。
对于地面上的观测者来说
N———=21gs0.14
狭义相对论认为时间不是绝对的（即固定不变
的），爱因斯坦指出，随着物体（观察者所见到
的）运动速度的加快，时间会变慢。
思考：
相对论时空观的第一次宏观验证是在
1971年进行的。
当时在地面上将四只艳原子钟
调整同步，然后把它们分别放在两架喷气式飞机
上做环球飞行，一架向东飞，另一架向西飞。
两
架飞机各绕地球飞行一周后回到地面，与留在地
面上的絶原子钟进行比较。
它们的时间有什么不
同？
根据狭义相对论，随着物体（观察者所见到的）
运动速度的加快，时间会变慢。
向东飞行时艳原子钟的度数比地球上的艳原子
钟慢了这是因为向东飞行速度比地面上的大:
人测得杆长
是厶那么
两者之间的
关系是
学生思考讨
论讣算
掌握长度收
缩效应锻炼
学生的自主
学习能力
锻炼学生计
算以及合作
交流能力
而向西飞行的絶原子钟比地球上的快了，这是因
为向西飞飞机的速度和地球自转相抵消，它们的
速度比地面上的小:
知识拓展
1、狭义相对论
按照狭义相对论而言，物体运动时质量会随着物
体运动速度增大而增加（质速关系），同时，空间
和时间也会随着物体运动速度的变化而变化，即
会发生尺缩效应和钟慢效应。
mo
m=
质速关系：
—Cy
ZZb是物体静止时的质量，加是物体速度为^^时的
质量，C是真空中的光速。
2、从弱引力到强引力
按牛顿的万有引力定律推算，行星应该沿着一些
椭圆做周期性运动，而天文观测表明，行星的轨
道并不是严格闭合的，它们的近日点在不断地旋
进，如水星的运动，山经典力学与行星轨道的矛
盾说明了什么？
参考答案：
经典力学只适用于弱引力场，而不适
用于强引力场。
三.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
学生思考讨
论回答
学生跟着老
师的思路学
习拓展练习
理解时间的
延迟性与速
度有关
拓展学生的
知识面
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
一次巫大飞跃。
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）
的悄形，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悄形,
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=
3X10Ws）,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・63Xl（rj・s）,量子力学和牛顿力学
阅读课文总
结牛顿力学
的成就以及
它的局限性
阅读理解说
锻炼学生的
总结以及语
言表达能力
和理解能力
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
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，出现了山中性原子构成的宇
宙尘埃。
山于万有引力的作用，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。
课堂练习
1.经典力学只适用于“宏观世界”，这里的“宏
观世界”是指（
A•行星、恒星、星系等巨大的物质领域
B.地球表面上的物质世界
C.人眼能看到的物质世界
D.不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质
世界
答案：
D
学读课文回
答问题
掌握牛顿力
学和相对论
以及量子论
的关系
拓展学生的
知识面
2.下列说法正确的是（
A.经典力学能够说明微观粒子的规律性:
B.经典力学适用于宏观物体的低速运动问题,
不适用于高速运动的物体;
C.相对论与量子力学的出现，说明经典力学已
失去®义:
D.对于宏观物体的高速运动问题，经典力学仍
答案：
B
3、牛顿定律不适用于下列哪些悄况（
A-研究原子中电子的运动
B.研究“嫦娥三号”的高速发射
C.研究地球绕太阳的运动
D.研究飞机从北京飞往纽约的航线
答案：
A
拓展提高
1、关于经典力学、狭义相对论和量子力学，下
列说法中正确的是（
A.狭义相对论和经典力学是相互对立的、互不
相容的两种理论;
B.在物体高速运动时，物体的运动规律遵循狭
义相对论，在低速运动时，物体的运动遵循牛顿
运动定律;
C.经典力学适用于宏观物体的运动，量子力学
适用于微观粒子的运动:
D.不论是宏观物体，还是微观粒子，经典力学
和量子力学都是适用的。
答案：
BC
2、通过一个加速装置对电子加一很大的恒力,
学生练习
巩固本节知
使电子从静止开始加速，则对这个加速过程，下
列描述正确的是（
A.根据牛顿第二定律，电子将不断做匀加速直
线运动
B.电子先做加速运动，后以光速做匀速直线运
C.电子开始先近似于匀加速运动，后来质量增
大，牛顿运动定律不再适用
D.电子是微观粒子，整个加速过程根本就不能
用牛顿运动定律解释
答案：
C
3、下面说法中正确的是（
A.当物体运动速度远小于光速时，相对论物理
学和经典物理学的结论没有区别:
B.当物体运动速度接近光速时，相对论物理学
和经典物理学的结论没有区别;
C.当普朗克常量h（6.63X10-34J-S）可以忽略
不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别;
D.当普朗克常量h（6・63X10—34J・s）不能忽略
不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别。
答案：
AC
课堂小结
1、爱因斯坦的两个假设
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；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。
2、时间延缓效应
3、长度收缩效应
4、经典力学只适用于解决低速运动问题，不能
用来处理高速运动问题，经典力学只适用于宏观
梳理自己本
节所学知识
进行交流
根据学生表
述，査漏补
缺，并有针
对性地进行
讲解补充。
物体，一般不适用于微观粒子：
经典力学只适用
于解决弱引力问题，不能用来处理强引力问题。
板书
一、牛顿力学时空观
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。
二.相对论时空观
1、爱因斯坦的两个假设
（1）相对性原理
（2）光速不变原理
2.相对论时空观的内容
认为时间和空间是相互联系相互影响的，并且与
物质的存在及运动有关。
3、时间延缓效应
4、长度收缩效应
三.牛顿力学的成就与局限性
经典力学规律只能用于宏观、低速（与光速相比）
的悄形，且只在惯性参考系中成立。
《7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性》导学案
【学习目标】
1.知道以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范
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W的讨论，使学生知道物理中的结论和规律一般
都有其适用范认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神。
【学习重点】
了解经典力学的局限性
【学习难点】
了解相对论、量子力学与经典力学的关系
【新知探究】
一.自主学习
1."同时”的相对性
2.
经典物理学认为：
如果两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个
2.时间间隔的相对性
（1）经典物理学认为：
某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时间
（1）
相对论的时空观：
某两个事件，在不同的惯性参考系中观察，它们的
设表示相对事件发生地静止的惯性系中观测的两事件的时间间隔，△/表
示相对事件发生地以速度V高速运动的参考系中观测的同样两事件的时间间隔,
3.长度的相对性
（1）经典的时空观：
一条杆的长度不会因为观察者杲否与杆做相对运动而
不同。
（2）相对论的时空观：
"长度"也具有相对性，一条沿自身长度方向运动
的杆，其长度总比静止时的长度小。
与杆相对静止的人认为杆长为与杆相对
二、合作学习
【问题1］经典力学在哪些领域不能适用？
能说出为什么吗？
举例说明。
结论：
经典力学在微观领域和高速运动领域不再适用；在不同参考系中不能适用；在强引力的情况下，经典的引力理论也是不适用的。
因为微观粒子（如电子、质子、中子）在运动时不仅具有粒子性，而且还具有波动性,经典力学不能说明这种现象，所以它不再适用，同时在高速运动领域,山于物体运动速度太快，要导致质量发生变化，而经典力学认为质量是不变的,所以经典力学在高速运动领域内也不再适用。
【问题2】经典力学的适用范ffl是什么？
结论：
宏观物体，低速运动。
【问题3】相对论和量子力学的出现是否否定了牛顿的经典力学？
应该怎样认识?
结论：
相对论和量子力学的出现并没有否定牛顿的经典力学，它们只是在不同情况下釆用的不同研究方法，经典力学在微观领域、高速运动的悄况下不再适用，而量子力学也不适用于宏观、低速运动的物体。
【学习小结】
1.爱因斯坦的两个假设
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；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。
2.时间延缓效应
3.长度收缩效应
4.经典力学只适用于解决低速运动问题，不能用来处理高速运动问题，经
典力学只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子：
经典力学只适用于解决弱引力问题，不能用来处理强引力问题。
【精练反馈】
1.判断下列说法是否正确。
（1）-根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，这是经典
物理学家的观点。
（J）
（2）—根杆的长度静止时为不管杆如何运动，杆的长度均小于（X）
（2）“动钟变慢"是时钟的精度因运动而发生了变化。
（X）
（3）长度、时间的测量结果会随物体与观察者的相对运动状态的改变而改
变。
3）
（4）高速运动的飞船中的宁航员发现地面的时钟变慢了。
（J）
（5）地面上的人认为两个事件同时发生，而高速运动的飞船中的宇航员却
不这么认为。
（J）
2.物理学的发展丰S了人类对物质世界的认识，推动了科学技术的创新和革命，促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步，下列表述正确的是（AD）
A.牛顿发现了万有引力定律
B・牛顿通过实验证实了万有引力定律
C.相对论的创立表明经典力学已不再适用
D.爱因斯坦建立了狭义相对论，把物理学推到高速领域
3.20世纪以来，人们发现了一些新的事实，而经典力学却无法解释，经典
力学只适用于解决物体低速运动的问题，不能用来处理高速运动的问题；只适用
于宏观物体，不适用于微观粒子。
这说明（BCD）
A.
人们应当不断扩展认识，在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律
《7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性》分层作业
（时间：
15分钟分值：
50分）
选择题（本题共10小题，每小题5分，共50分）
（多选）关于时间和空间，在学习爱因斯坦假设相对论后我们应认识到
因为时间是绝对的，所以我们在不同的参考系中观察到的时间进程都是
相同的
D.
在一个确定的参考系中观察，运动物体的空间距离和时间进程跟物体的运动状态有关
CD[经典物理学认为空间和时间是脱离物质存在的，是绝对的，空间与时间之间是没有联系的，在相对论中，时间和空间是和物质的运动相联系的，只有在物质存在时才有空间和时间的概念，时间和空间是相互联系且是相对的.选项
C、D正确.]
2.关于经典力学和量子力学，下列说法中正确的是（
A.不论是对宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的
B.量子力学适用于宏观物体的运动；经典力学适用于微观粒子的运动
C.经典力学适用于宏观物体的运动；量子力学适用于微观粒子的运动
D.上述说法都是错误的
C［经典力学适用于低速、宏观物体，不适用于高速、微观粒子.量子力学不适用于宏观物体，适用于微观粒子，故选项C正确-］
3.下列说法正确的是（
A.牛顿运动定律就是经典力学
B.经典力学的基础是牛顿运动定律
C.牛顿运动定律可以解决自然界中所有的问题
D.经典力学可以解决自然界中所有的问题
B［经典力学并不等于牛顿运动定律，牛顿运动定律只是经典力学的基础.经典力学并非万能，也有其适用范它并不能解决自然界中所有的问题,没有哪个理论可以解决自然界中所有的问题.因此，B正确.］
4.经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动，这里的“高速”杲指
A.声音在空气中的传播速度
B.第一宇宙速度
C.高铁列车允许行驶的最大速度
D.接近真空中光的传播速度
D［这里的“高速是指接近真空中光的传播速度，故D正确，A、B、C错误.]
5.下列关于经典力学和相对论的说法，正确的是（
A.经典力学和相对论的研究领域没有交集
B.相对论是在否定了经典力学的基础上建立起来的
C.相对论和经典力学是两种不同的学说，二者没有联系
D.经典力学包含于相对论之中，经典力学是相对论的特例
D［相对论的建立并没有否定经典力学，而是认为经典力学是相对论在一定条件下的特殊悄形，选项A、B、C错误，D正确.］
6.（多选）关于牛顿物理学与相对论，下列说法正确的是（
A.相对论研究的是物体在低速运动时所遵循的规律
B.相对论研究的是物体在高速运动时所遵循的规律
c.牛顿物理学研究的是物体在低速运动时所遵循的规律
D.牛顿物理学研究的是物体在高速运动时所遵循的规律
BC[牛顿物理学的运动规律适用于低速、宏观物体，而爱因斯坦的相对论适用于高速、微观世界-]
7.经典力学只适用于"宏观世界"，这里的“宏观世界”是指（
A.行星、恒星、星系等巨大的物质领域
B.地球表面上的物质世界
C.人眼能看到的物质世界
D.不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界
D[前三个选项说的当然都属于“宏观世界"
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