教学设计 课程基本信息 课题 相对论时空观与牛顿力学的局限性 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.知道相对论效应、时间空间相对性。 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。 教学内容 教学重点： 了解经典力学的局限性。 教学难点： 了解相对论、量子力学与经典力学的关系。 教学过程 教师活动 设计意图 牛顿力学时空观时 同学们在学习过程中会体会到在经典力学中，牛顿力学时空观里，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。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肯定是一样。 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。 思考：若河中的水以相对于岸速度 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V船岸如何表示？ V船岸=V船水+V水岸 这个公式本质上是参考系的变换。 伽利略变换，是牛顿经典力学研究相对运动问题的基本法则。 思考：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。 根据公式 地球上测量的激光的速度应为1.2c。 提问：真的是这样吗？ 随着物理学的进一步发展，让科学家对上面的1.2c产生了质疑，首先是十九世纪，英国科学家麦克斯韦，提出了电磁场理论，预言了电磁波的存在，并从理论上证明了，电磁波传播的速度等于光速，而且似乎这个速度无需参考系，是个常数。 配图（麦克斯韦） 后来的光速测量实验更是让无数物理学家困惑。 配图（迈克尔逊） 1887年的迈克尔逊-莫雷实验。这个实验中，他们二人想测量由于地球公转引起的公转切线方向和垂直黄道面方向的光速差异，最后竟然发现两个方向上的光速没有区别，这就证明了在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的！ 讲解：从上面可以看到，不存在1.2c的光速，光速相对于任何参考系都是c。 经典力学的基础，伽利略变换失效了。 开尔文：“物理学大厦上空的乌云” 提问：是坚持牛顿力学还是尊重事实？ 以爱因斯坦和庞加莱为代表的另一批物理学家，坚决主张，彻底放弃某些与实验事实不相符的观念，如绝对时间的观念。 爱因斯坦在实验事实的基础上，大胆提出两个假设。 相对论时空观 （1）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。（举例解释） （2）光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中，大小都是相同的。（强调记忆） 思考讨论:在经典物理学中，如果两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中一定也是同时的。但是，如果按照爱因斯坦的两个假设，还是这样吗 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 （2）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？ 分析： 如图所示:因为车厢是个惯性系，闪光向前、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。 （2）如图，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 ... ...
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