人教版高中物理必修第二冊：第7章第5節(jié)相對論時空觀與牛頓力學的局限性律教學設計

人教版高中物理必修2教學設計

課題相對論時空觀與牛頓力學單元7學科物理年級高一

的局限性

本節(jié)課所采用的教材是人教版高中物理必修2第七章第5節(jié)的內容。本節(jié)內容是學習完

經典力學以后所做的介紹性質內容，它可以拓展學生的知識面、展示科學探究的無限可能，

教材建立科學思想、科學的思維方法，培養(yǎng)科學精神，在情感、態(tài)度與價值觀方面發(fā)揮應有的

分析教育功能。本節(jié)教材先介紹相對論時空觀,并給出了時間延緩效應,長度收縮效應.然后講

解了牛頓力學的成就與局限性,讓學生體會任何學科都有局限性，并不是牛頓力學過時了，

要理解各自成立的條件。

一、教學目標

1．知道以牛頓運動定律為基礎的經典力學的適用范圍．

2．知道相對論、量子力學和經典力學的關系．

（三）情感、態(tài)度與價值觀

通過對牛頓力學適用范圍的討論，使學生知道物理中的結論和規(guī)律一般都有其適用范

教學圍，認識知識的變化性和無窮性，培養(yǎng)獻身于科學的時代精神．

目標

二、核心素養(yǎng)

與核

物理觀念：了解相對論-量子論的建立對人類深入認識客觀世界的作用，知道物理學改

心素

養(yǎng)變人們世界觀的作用。

科學思維：經歷科學家建立相對論和量子論的思維探索過程，認識科學思維的意義．

科學探究：通過閱讀課文體會一切科學都有自己的局限性，新的理論會不斷完善和補充

舊的理論，人類對科學的認識是無止境的．

科學態(tài)度與責任：通過對牛頓力學適用范圍的討論，使學生知道物理中的結論和規(guī)律一

般都有其適用范圍，認識知識的變化性和無窮性，培養(yǎng)獻身于科學的時代精神．

重點了解經典力學的局限性

難點了解相對論、量子力學與經典力學的關系

教學過程

教學環(huán)節(jié)教師活動學生活動設計意圖

導入新課經典力學的基礎是牛頓運動定律，萬有引力定

律更是樹立了人們對牛頓物理學的尊敬。學生回顧已學通過問題引發(fā)學

通過前面的學習，我們知道從天體的運動到地知識并思考生的思考從而引

面上的各種物體的運動，從大氣的流動到地殼的變起學生學習的興

動，所有這些都服從經典力學規(guī)律。那么，是不是趣

任何情境下都遵從經典力學的規(guī)律呢？

講授新課一、牛頓力學時空觀

1、牛頓力學時空觀

時間與空間都是獨立于物體及其運動而存在

的。這種絕對時空觀，也叫牛頓力學時空觀。閱讀課文了解讓學生通過自主

在牛頓力學時空觀里，時間像一條看不見的牛頓力學時空閱讀獲取信息，

“長河”，均勻地自行流逝著，空間像一個廣闊無觀培養(yǎng)學生閱讀理

邊的房間，它們都不影響物體及其運動。所以不管解能力，同時培

選什么參考系，不管物體怎么運動，物體的時間、養(yǎng)學生良好的自

長度、質量等等的測量結果肯定是一樣的。學習慣。

思考1：若河中的水以相對于岸的速度v水岸流

動，河中的船以相對于水的速度v船水順流而下，學生思考回答鍛煉學生的邏輯

則船相對于岸的速度v船岸如何表示？思維能力

v船岸＝v船水＋v水岸

思考2：設想人類可以利用飛船以0.2c的速

度進行星際航行。若飛船向正前方的某一星球發(fā)射

一束激光，該星球上的觀察者測量到的激光的速度

是否為1.2c？學生思考討論了解經典力學只

出示圖片:飛船向正前方的某一星球發(fā)射一束適用于解決低速

激光運動問題，不能

問題的答案似乎應為1.2c，然而，事實并非如用來處理高速運

此！因為經典力學不再適用。經典力學只適用于解動問題

決低速運動問題，不能用來處理高速運動問題，要

解決這一問題就需要用到相對論時空觀。

二、相對論時空觀

思考：19世紀，英國物理學家麥克斯韋根據電

磁場理論預言了電磁波的存在，并證明電磁波的傳

播速度等于光速c。這個速度是相對哪個參考系而

言的？學生閱讀課文了解不同的參考

出示圖片:麥克斯韋英國物理學家、數學家思考系中，光的傳播

出示圖片:邁克爾遜:波蘭裔美國藉物理學家。速度都是一樣的

1887年的邁克耳孫—莫雷實驗以及其他一些

實驗表明：

在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的

所以證明電磁波的傳播速度等于光速c，無論對于

哪個參考系而言都是一樣的。

1、愛因斯坦的兩個假設

（1）相對性原理：在不同的慣性參考系中，學生注意聽講掌握愛因斯坦的

物理規(guī)律的形式都是相同的；表明在任何慣性系中理解兩個假設：相對

研究某個物體的某一運動過程，其運動規(guī)律形式不性原理和光速不

變。變原理

（2）光速不變原理：真空中的光速在不同的

慣性參考系中大小都是相同的。表明了經典時空觀

與相對論時空觀的不同。

2．相對論時空觀的內容

認為時間和空間是相互聯(lián)系、相互影響的，并

且與物質的存在及運動有關。

思考討論：在經典物理學中，如果兩個事件在

一個參考系中是同時的，在另一個參考系中一定也

是同時的。但是，如果按照愛因斯坦的兩個假設，學生閱讀課文通過課文上的舉

結論還是這樣嗎？思考討論例理解兩個事件

根據愛因斯坦假設：真空中的光速在不同的慣在一個參考系中

性參考系中大小都是相同的，兩個事件在一個參考是同時的，在另

系中是同時的，在另一個參考系中不一定也是同時一個參考系中不

的。一定也是同時

例如：假設一列火車沿平直軌道飛快地勻速行的，

駛。車廂中央的光源發(fā)出了一個閃光，閃光照到了

車廂的前壁和后壁。

（1）車上的觀察者以車廂為參考系，閃光到

達前后兩壁的時間相同嗎？

（1）車下的觀察者來說，以地面為參考系，

閃光到達前后兩壁的時間相同嗎？

甲

參考答案：

學生討論回答通過討論幫助學

（1）如圖甲所示：因為車廂是個慣性系，閃

生進一步理解愛

光向前、后傳播的速率相同，光源又在車廂的中央，

因斯坦的假設，

閃光當然會同時到達前后兩壁。

了解時間具有延

緩效應

根據愛因斯坦的假設：真空中的光速在不同的

慣性參考系中大小都是相同的，所以他以地面為參

考系，閃光向前、后傳播的速率對地面也是相同的。

在閃光飛向兩壁的過程中，車廂向前行進了一

段距離，所以向前的光傳播的路程長些即：閃光先

到達后壁，后到達前壁因此，這兩個事件不是同時

發(fā)生的。

3、時間延緩效應

如果相當于地面以v運動的慣性參考系上的人

觀察到與其一起運動的物體完成某個動作的時間

間隔為Δτ，地面上的人觀察到該物體在同一地點

學生傾聽記憶掌握時間具有延

完成這個動作的時間間隔為Δt，則

公式緩效應

由于1－<1，所以總有Δt>Δτ，

此種情況稱為時間延緩效應。

4、長度收縮效應

如果與桿相對靜止的人測得桿長是l0，沿著

桿的方向，以v相對桿運動的人測得桿長是l，那

么兩者之間的關系是

閱讀課文掌握掌握長度收縮效

桿相對靜止的應鍛煉學生的自

由于1－<1，所以總有l(wèi)<l0，此種情

人測得桿長是主學習能力

況稱為長度收縮效應。l0，沿著桿的

（1）式和（2）式表明：運動物體的長度（空方向，以v相

間距離）和物理過程的快慢（時間進程）都跟物體對桿運動的人

的運動狀態(tài)有關。測得桿長是

這個結論具有革命性的意義，它所反映的時空l，那么兩者之

觀稱作相對論時空觀。間的關系是

愛爾蘭物理學家佛茲杰拉德提出，物質會在運

動的方向上收縮（縮小），這意味著根據一個靜止

觀察者的觀點，一枚以接近光線運行的火箭所表現(xiàn)

出的長度會比它靜止時更短，盡管乘坐火箭的人看

來并沒有什么兩樣。

愛因斯坦指出，任何物體以光速運動時，其長

度將會縮短為零。

思考與討論:已知μ子低速運動時的平均壽命是

3.0μs。當μ子以0.99c的速度飛行，若選擇μ子為學生思考討論鍛煉學生計算以

參考系，此時μ子的平均壽命是多少？對于地面上計算及合作交流能力

的觀測者來說，平均壽命又是多少？

相對于光速而言，低速運動即可近似認為速度

為0，即若選擇與μ子一起運動的某一物體為參

考系，此時μ子的平均壽命是3.0μs。

對于地面上的觀測者來說

狹義相對論認為時間不是絕對的（即固定不變

的）,愛因斯坦指出，隨著物體（觀察者所見到的）

運動速度的加快，時間會變慢。

思考：相對論時空觀的第一次宏觀驗證是在

1971年進行的。當時在地面上將四只銫原子鐘調

整同步，然后把它們分別放在兩架噴氣式飛機上做

環(huán)球飛行，一架向東飛，另一架向西飛。兩架飛機

學生思考討論理解時間的延遲

各繞地球飛行一周后回到地面，與留在地面上的銫

回答性與速度有關

原子鐘進行比較。它們的時間有什么不同？

根據狹義相對論，隨著物體（觀察者所見到的）

運動速度的加快，時間會變慢。

向東飛行時銫原子鐘的度數比地球上的銫原

子鐘慢了這是因為向東飛行速度比地面上的大；

而向西飛行的銫原子鐘比地球上的快了，這是

因為向西飛飛機的速度和地球自轉相抵消，它們的

速度比地面上的??；

知識拓展

學生跟著老師拓展學生的知識

1、狹義相對論

的思路學習拓面

按照狹義相對論而言，物體運動時質量會隨著

展練習

物體運動速度增大而增加(質速關系)，同時，空間

和時間也會隨著物體運動速度的變化而變化，即會

發(fā)生尺縮效應和鐘慢效應。

質速關系:

m0是物體靜止時的質量，m是物體速度為v時

的質量，c是真空中的光速.

2、從弱引力到強引力

按牛頓的萬有引力定律推算，行星應該沿著一

些橢圓做周期性運動，而天文觀測表明，行星的軌

道并不是嚴格閉合的，它們的近日點在不斷地旋

進，如水星的運動，由經典力學與行星軌道的矛盾

說明了什么？

參考答案：經典力學只適用于弱引力場，而不

適用于強引力場.

二、牛頓力學的成就與局限性

像一切科學一樣，牛頓力學沒有也不會窮盡一閱讀課文總結鍛煉學生的總結

切真理，它也有自己的局限性。它像一切科學理論牛頓力學的成以及語言表達能

一樣，是一部“未完成的交響曲”。就以及它的局力和理解能力

1、牛頓力學的成就限性

（1）經典力學的基礎是牛頓運動定律，牛頓

運動定律和萬有引力定律在宏觀、低速、弱引力的

廣闊區(qū)域，包括天體力學的研究中，經受了實踐的

檢驗，取得了巨大的成就.

（2）.牛頓運動三定律和萬有引力定律把天體

的運動與地面上物體的運動統(tǒng)一起來，是人類對自

然界認識的第一次大綜合，是人類認識史上的一次

重大飛躍.

牛頓力學在如此廣闊的領域里與實際相符合，

顯示了牛頓運動定律的正確性和牛頓力學的魅力

2、局限性

（1）物體在以接近光速運動時所遵從的規(guī)律，

有些是與牛頓力學的結論并不相同的。所以經典力

學只適用于物體的低速運動。

（2）在微觀世界中，發(fā)現(xiàn)了電子、質子、中

子等微觀粒子，而且發(fā)現(xiàn)它們不僅具有粒子性，同

時還具有波動性，量子力學能很好地描述微觀粒子

的運動規(guī)律。經典力學不適用于微觀領域中物質結

構和能量不連續(xù)的現(xiàn)象

（3）.經典力學規(guī)律只在慣性參考系中成立

經典力學規(guī)律只能用于宏觀、低速（與光速相

比）的情形，且只在慣性參考系中成立。

說明

（1）基于實驗檢驗的牛頓力學不會被新的科閱讀理解說明掌握牛頓力學和

學成就所否定，而是作為某些條件下的特殊情形，相對論以及量子

被包括在新的科學成就之中。論的關系

（2）當物體的運動速度遠小于光速c時（c＝

3×108m/s），相對論物理學與經典物理學的結論沒

有區(qū)別；

（3）當另一個重要常數即普朗克常量h可以

忽略不計時

（h＝6.63×10-34J·s），量子力學和牛頓力學

的結論沒有區(qū)別。

（4）相對論與量子力學都沒有否定過去的科

學，而只認為過去的科學是自己在一定條件下的特

殊情形。

科學漫步1.宇宙的起源與演化

我們的宇宙是在約138億年以前從一個尺度學讀課文回答拓展學生的知識

極小的狀態(tài)發(fā)展演化來的。在這個過程中，宇宙的問題面

溫度從高到低，先是生成一些基本粒子形態(tài)的物

質，接著產生了原子、分子等各種物質，物質再進

一步聚集起來形成星系，成為我們今天看到的宇

宙。

出示圖片:普朗克探測器記錄下的微波天空

2.恒星的演化

閱讀課文說一說恒星是如何誕生的？

根據大爆炸宇宙學，大爆炸10萬年后，溫度

下降到了3000K左右，出現(xiàn)了由中性原子構成的

宇宙塵埃。由于萬有引力的作用，形成了更密集的

塵埃。塵埃像滾雪球一樣越滾越大，形成了氣體狀

態(tài)的星云團。星云團的凝聚使得溫度升高，到一定

程度星云團就開始發(fā)光，于是，恒星誕生了。

課堂練習

1．經典力學只適用于“宏觀世界”，這里的學生練習鞏固本節(jié)知識

“宏觀世界”是指()

A．行星、恒星、星系等巨大的物質領域

B．地球表面上的物質世界

C．人眼能看到的物質世界

D．不涉及分子、原子、電子等微觀粒子的物

質世界

答案:D

2．下列說法正確的是()

A．經典力學能夠說明微觀粒子的規(guī)律性；

B．經典力學適用于宏觀物體的低速運動問題，

不適用于高速運動的物體；

C．相對論與量子力學的出現(xiàn)，說明經典力學

已失去意義；

D．對于宏觀物體的高速運動問題，經典力學

仍適用。

答案:B

3、牛頓定律不適用于下列哪些情況()

A．研究原子中電子的運動

B．研究“嫦娥三號”的高速發(fā)射

C．研究地球繞太陽的運動

D．研究飛機從北京飛往紐約的航線

答案：A

拓展提高

1、關于經典力學、狹義相對論和量子力學，

下列說法中正確的是()

A．狹義相對論和經典力學是相互對立的、互

不相容的兩種理論；

B．在物體高速運動時，物體的運動規(guī)律遵循

狹義相對論，在低速運動時，物體的運動遵循牛頓

運動定律；

C．經典力學適用于宏觀物體的運動，量子力

學適用于微觀粒子的運動；

D．不論是宏觀物體，還是微觀粒子，經典力

學和量子力學都是適用的。

答案：BC

2、通過一個加速裝置對電子加一很大的恒力，

使電子從靜止開始加速，則對這個加速過程，下列

描述正確的是()

A．根據牛頓第二定律，電子將不斷做勻加速

直線運動

B．電子先做加速運動，后以光速做勻速直線

運動

C．電子開始先近似于勻加速運動，后來質量

增大，牛頓運動定律不再適用

D．電子是微觀粒子，整個加速過程根本就不

能用牛頓運動定律解釋

答案：C

3、下面說法中正確的是()

A．當物體運動速度遠小于光速時，相對論物

理