〖高中物理〗相对论时空观与牛顿力学的局限性+课件-2024-2025学年高一下学期物理人教版(2019)必修第二册.docxVIP

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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〗

本节内容是对经典物理学与现代物理学的一次重要衔接。在之前的学习中，学生已经深入了解了牛顿力学这一经典物理学的重要基石，掌握了其在宏观、低速领域强大的解释与预测能力。教材通过介绍这些现代物理学理论的发展历程，让学生感受到科学研究的艰辛与不易，体会到科学家们在追求科学真理道路上所展现出的执着与坚韧。本节内容，在知识拓展、科学思维培养、科学精神塑造以及文化传承等方面都具有重要作用。教师在教学过程中，应充分挖掘教材内涵，引导学生积极参与探究活动，让他们在学习过程中深刻体会科学的魅力与价值。

〖教学目标与核心素养〗

物理观念：学生能够深入理解相对论时空观，认识到时空并非绝对独立和固定不变的，而是相互关联且具有相对性的，还有光速不变原理。

科学思维：通过回顾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，理解我国古代的哲学时空观。

科学探究：引导学生关注科学家们通过实验和观测来验证理论的过程，如迈克尔逊-莫雷实验对以太假说的否定，为相对论的提出提供了重要依据；黑体辐射实验等促使量子论的诞生。

科学态度与责任：认识到物理学的发展不仅推动了科学技术的进步，也对人类社会产生了深远的影响。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？

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。

那相对论的时空观是怎么样的呢？

（一）相对论的时空观

我国古代虽未形成现代意义上的相对论理论体系，但诸多哲学思想与民间传说中蕴含着对时空相对性的朴素认知，这些观念与相对论中时空与物质运动相关联、时间具有相对性等核心思想存在跨时空的呼应。

1.我国古代的时空观——哲学思想中的相对时空观

《庄子·齐物论》提出“方生方死，方死方生”，认为事物的生灭是相对的，暗示时间与空间的界限并非绝对。其“朝菌不知晦朔，蟪蛄不知春秋”的比喻，进一步说明生命体对时间的感知因存在形式而异，体现了时间相对性的哲学思考。

惠施主张“天与地卑，山与泽平”，认为天地、山泽的差异是相对的，可通过视角转换消弭。这种“齐同万物”的观念，挑战了传统时空的绝对性，与相对论中时空可变的观点形成跨时空呼应。

1.我国古代的时空观——神话传说中的时空扭曲意象

这一广泛流传的民间故事，通过天界与人间时间流速的差异，直观表达了时空的相对性。例如《西游记》中孙悟空在蟠桃园的经历，以及“烂柯人”传说中樵夫观棋后百年已过的情节，均以文学形式隐喻了时空的非绝对性。

道教神话中的“洞天福地”被描述为独立于世俗时空的特殊领域，如“山中方七日，世上已千年”。这种设定不仅体现了对时空相对性的想象，也反映了古人对超越日常经验的时间维度的探索。

1.我国古代的时空观——天文历法中的时空认知

古代天文学通过“天圆地方”或“浑天如鸡子”的模型，尝试解释天体运动与时空关系。例如《周髀算经》中的“七衡六间图”，以几何方式描述太阳周年视运动，体现了对时空周期性与相对性的初步认知。

古人通过观测太阳周年运动制定二十四节气，将时间与空间（季节、气候、物候）紧密结合。这种“天人合一”的时空观，强调了自然规律与人类活动的相对性关联，为理解时空的动态性提供了实践基础。

2.近代时空观的建立

从麦克斯韦电磁场理论的建立到迈克耳孙一莫雷实验，再到爱因斯坦的假设。都表明光速不变原理：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.爱因斯坦的两个假设：光速不变原理，狭义相对性原理

①时间延缓效应

其中v是运动的惯性参考系是速度，?τ为惯性参考系完成某个动作的时间间隔，?t为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。

介绍双生子佯谬。

②长度收缩效应

其中l0是与杆相对静止的人测得杆长，l是以v相对杆运动的人测得杆长。

结论：运动物体的长度（空间距离）和物理过程的快慢（时间进程）都跟物体的运动状态