人教版高中物理必修第二册：第7章第5节相对论时空观与牛顿力学的局限性律教学设计

人教版高中物理必修2教学设计

课题相对论时空观与牛顿力学单元7学科物理年级高一

的局限性

本节课所采用的教材是人教版高中物理必修2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、展示科学探究的无限可能，

教材建立科学思想、科学的思维方法，培养科学精神，在情感、态度与价值观方面发挥应有的

分析教育功能。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。

一、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、量子力学和经典力学的关系．

（三）情感、态度与价值观

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

教学围，认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神．

目标

二、核心素养

与核

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

心素

养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．

重点了解经典力学的局限性

难点了解相对论、量子力学与经典力学的关系

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。学生回顾已学通过问题引发学

通过前面的学习，我们知道从天体的运动到地知识并思考生的思考从而引

面上的各种物体的运动，从大气的流动到地壳的变起学生学习的兴

动，所有这些都服从经典力学规律。那么，是不是趣

任何情境下都遵从经典力学的规律呢？

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。阅读课文了解让学生通过自主

在牛顿力学时空观里，时间像一条看不见的牛顿力学时空阅读获取信息，

“长河”，均匀地自行流逝着，空间像一个广阔无观培养学生阅读理

边的房间，它们都不影响物体及其运动。所以不管解能力，同时培

选什么参考系，不管物体怎么运动，物体的时间、养学生良好的自

长度、质量等等的测量结果肯定是一样的。学习惯。

思考1：若河中的水以相对于岸的速度v水岸流

动，河中的船以相对于水的速度v船水顺流而下，学生思考回答锻炼学生的逻辑

则船相对于岸的速度v船岸如何表示？思维能力

v船岸＝v船水＋v水岸

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？学生思考讨论了解经典力学只

出示图片:飞船向正前方的某一星球发射一束适用于解决低速

激光运动问题，不能

问题的答案似乎应为1.2c，然而，事实并非如用来处理高速运

此！因为经典力学不再适用。经典力学只适用于解动问题

决低速运动问题，不能用来处理高速运动问题，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？学生阅读课文了解不同的参考

出示图片:麦克斯韦英国物理学家、数学家思考系中，光的传播

出示图片:迈克尔逊:波兰裔美国藉物理学家。速度都是一样的

1887年的迈克耳孙—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。

1、爱因斯坦的两个假设

（1）相对性原理：在不同的惯性参考系中，学生注意听讲掌握爱因斯坦的

物理规律的形式都是相同的；表明在任何惯性系中理解两个假设：相对

研究某个物体的某一运动过程，其运动规律形式不性原理和光速不

变。变原理

（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。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

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。

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，学生阅读课文通过课文上的举

结论还是这样吗？思考讨论例理解两个事件

根据爱因斯坦假设：真空中的光速在不同的惯在一个参考系中

性参考系中大小都是相同的，两个事件在一个参考是同时的，在另

系中是同时的，在另一个参考系中不一定也是同时一个参考系中不

的。一定也是同时

例如：假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速行的，

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？

甲

参考答案：

学生讨论回答通过讨论帮助学

（1）如图甲所示：因为车厢是个惯性系，闪

生进一步理解爱

光向前、后传播的速率相同，光源又在车厢的中央，

因斯坦的假设，

闪光当然会同时到达前后两壁。

了解时间具有延

缓效应

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，闪光向前、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，这两个事件不是同时

发生的。

3、时间延缓效应

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Δτ，地面上的人观察到该物体在同一地点

学生倾听记忆掌握时间具有延

完成这个动作的时间间隔为Δt，则

公式缓效应

由于1－<1，所以总有Δt>Δτ，

此种情况称为时间延缓效应。

4、长度收缩效应

如果与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着

杆的方向，以v相对杆运动的人测得杆长是l，那

么两者之间的关系是

阅读课文掌握掌握长度收缩效

杆相对静止的应锻炼学生的自

由于1－<1，所以总有l<l0，此种情

人测得杆长是主学习能力

况称为长度收缩效应。l0，沿着杆的

（1）式和（2）式表明：运动物体的长度（空方向，以v相

间距离）和物理过程的快慢（时间进程）都跟物体对杆运动的人

的运动状态有关。测得杆长是

这个结论具有革命性的意义，它所反映的时空l，那么两者之

观称作相对论时空观。间的关系是

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µ子低速运动时的平均寿命是

3.0µs。当µ子以0.99c的速度飞行，若选择µ子为学生思考讨论锻炼学生计算以

参考系，此时µ子的平均寿命是多少？对于地面上计算及合作交流能力

的观测者来说，平均寿命又是多少？

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µ子一起运动的某一物体为参

考系，此时µ子的平均寿命是3.0µs。

对于地面上的观测者来说

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铯原子钟调

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

学生思考讨论理解时间的延迟

各绕地球飞行一周后回到地面，与留在地面上的铯

回答性与速度有关

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。

向东飞行时铯原子钟的度数比地球上的铯原

子钟慢了这是因为向东飞行速度比地面上的大；

而向西飞行的铯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

学生跟着老师拓展学生的知识

1、狭义相对论

的思路学习拓面

按照狭义相对论而言，物体运动时质量会随着

展练习

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。

质速关系:

m0是物体静止时的质量，m是物体速度为v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，由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.

二、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阅读课文总结锻炼学生的总结

切真理，它也有自己的局限性。它像一切科学理论牛顿力学的成以及语言表达能

一样，是一部“未完成的交响曲”。就以及它的局力和理解能力

1、牛顿力学的成就限性

（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

重大飞跃.

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）的情形，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阅读理解说明掌握牛顿力学和

学成就所否定，而是作为某些条件下的特殊情形，相对论以及量子

被包括在新的科学成就之中。论的关系

（2）当物体的运动速度远小于光速c时（c＝

3×108m/s），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＝6.63×10-34J·s），量子力学和牛顿力学

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

殊情形。

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学读课文回答拓展学生的知识

极小的状态发展演化来的。在这个过程中，宇宙的问题面

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，出现了由中性原子构成的

宇宙尘埃。由于万有引力的作用，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”，这里的学生练习巩固本节知识

“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

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

已失去意义；

D．对于宏观物体的高速运动问题，经典力学

仍适用。

答案:B

3、牛顿定律不适用于下列哪些情况()

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，

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

运动

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