2020-2021学年高中物理-第六章-相对论与量子论初步-第1节-高速世界教案-鲁科版必修2.doc

2020-2021学年高中物理 第六章 相对论与量子论初步 第1节 高速世界教案 鲁科版必修22020-2021学年高中物理 第六章 相对论与量子论初步 第1节 高速世界教案 鲁科版必修2年级：姓名：- 8 -第1节高速世界时间延缓效应爱因斯坦的相对论这一理论曾被很多人认为是一种怪诞的异想，而现在却成为现代物理学的奠基石。就象没有分子和原子的概念，现代物理学不能存在一样，没有相对论，现代物理学也不能存在。没有相对论，大量的物理现象将不可能得到解释。粒子加速器的设计和原子反应的计算，都是建立在相对论的基础上的。相对论的建立是现代物理学最伟大的成就之一，建立相对论的时空观对于现代的中学生是非常重要。可是，相对论的原理除了少数专业人员，却很少有人知道，特别是对我们的中学生，这一理论则显得格外艰深。所幸的是“物理新课程标准”中已把她纳入高中物理。新课标的新理念为中学物理教学提供了广阔的空间，正逢我校参与的全国教育科学“信息技术与课程整合课题的研究，所以本人想在此做些探索，将课题研究与实际教学结合，解决教学中的困难，仅供大家探讨之用，希望大家多提宝贵见解。课程目标的制定根据新课程理念所倡导教育的“人性化”，本课从“知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观”三个唯度来制定教学目标，实施课堂教学。教学目标： 知识与技能目标： 1. 理解光速不变与经典的速度的相对性之间的矛盾。2. 理解狭义相对论的两个基本假设。3. 理解时间间隔的相对性。4. 课外能继续学习相对论的其他内容。过程与方法目标：1. 培养学生的摆脱固有的思维能力、想象力和创新精神。2. 学会科学创造的基本过程。3. 培养学生的元认知水平。4. 学习正确的认识方法：实践是检验真理的唯一方法。情感态度与价值观目标：1. 体验科学家进行科学创造的过程。2. 体验相对论的时空观是如此的和谐、美丽。3. 激发学生探索科学的精神。 【教学设计的说明】1.速度合成法则和时间的绝对性的问题在学生的头脑中已经根深蒂固在教学中，一方面要让学生认识到实验是检验物理知识正确与否的最终标准，另一方面要让学生相信逻辑的力量。2.时间相对性结论的推导从数学上讲是不严格的，但对于中学生理解相对论是很重要的，可从数量关系上开发出可探究的内容，通过建立理想实验，亲自进行数学探究得到时间延缓效应，将相对论时空观真正纳入已有的图式。目的也在发展学生的头脑中已经存在的根深蒂固的经典时空观。3.元认知是学习策略之首，在教学中进行元认知训练的渗透是很重要的。爱因斯坦曾经说过电影是最好的教育手段之一，利用电影将教学难点形象化、简单化，将复杂过程压缩这都是电影课的特点。本课结合了以上特点。【课堂教学的过程】教学引入：2005世界物理年，是为了纪念爱因斯坦创立相对论100周年提出的。爱因斯坦的这一理论曾被当时很多人认为纯粹是一种怪诞的异想，而现在早已成为现代物理学的奠基石。没有相对论，现代物理学也不复存在。4月18日是爱因斯坦逝世50周年。欧洲物理学会、联合国教科文组织共同发起了“物理照耀世界”活动，以纪念爱因斯坦。美国东部时间18日20时30分，“物理照耀世界”光束从爱因斯坦工作过的美国普林斯顿大学出发，绕全球一周，“途中”要经过我国34个城市。下面我们来观看一段爱因斯坦的录像。观看一段爱因斯坦的录像（2.5分钟）教学内容1、设疑并提出探究的主题来自录象的情境：（科幻小说）一对年华正茂的孪生兄弟,哥哥告别弟弟, 登上访问牛郎织女的旅程。归来时, 阿哥仍是风度翩翩一少年, 而迎接他的胞弟却是白发苍苍一老翁了, 真是“ 天上方七日, 地上已千年”。设疑：“天”“地” 的时间为什么不一样？这就是我们今天要探究的问题。（提出主题） 2、思维训练（1）横看成岭侧成峰，远近高低各不同。展示图片：一排排的房子设问：所有的房子的竖直方向的柱子都平行吗？学生受固有思维的影响，会得出肯定的答案。展示图片：地球的全景图及上面的房子学生一看图就知道自己的答案错了。反问：你的回答对了吗？为什么？（进行元认知训练，学生反省自己的思维）结论：当我们跳出原来的圈子，去观察事物时，会有全新的发现。但跳出原来的圈子是需要摆脱固有的思维，需要丰富的想象力和创新精神。（2）原来科学家就是这样创造的展示科学创造的流程图：结合元认知训练卡讲述科学创造的过程（提出三个自我反思的元认知问题）： 我是否比较了“原理论”与“新实验现象”产生的条件的异同？ 在新的条件下，我是否敢于提出新的假设（“新实验现象”的结论，但可能与“原理论”矛盾）？ 在新的条件下，我是否敢于突破原有“相对的速度、绝对的时空”变为“绝对的光速、相对的时空”。3、预备知识（讲授）惯性参考系：牛顿运动定律成立的参考系。速度叠加原理。牛顿力学研究的对象：低速运动的物体。这里高速世界是指与光速可比的速度和光速。伽利略相对性原理： 力学定律在一切惯性参考系中具有相同的形式。狭义相对性原理： 物理定律在任何惯性参考系中具有相同的形式。4、接受：光速与参考系无关看电影提示：在不同参照系中，测量到的光速C都一样吗？什么是速度？利用电影将理想实验形象化电影：在地面上测光速，和在高速的汽车上测光速都为c利用电影讲述迈克耳孙莫雷实验电影：地球相对光源运动，在地球上不同的纬度、不同的时间，迈克尔逊干涉仪进行精密测量得到光速不变。以上两点应用电影进行教学将教学难点形象化、简单化，压缩了复杂过程。5、探究二：探究时间延缓效应如果你是爱因斯坦你如何思考回答问题：在不同参照系中，测量到的光速C都一样吗？什么是速度？“速度叠加原理”与实验结果产生了矛盾。设问：在不同参照系中，测量到的光速C都一样吗？你有什么猜想。（发散式）探究提示：请结合元认知卡，发挥你丰富的想象力，对上述矛盾，大胆地做出你的论断。时空观的革命速度时间空间经典时空观相对（速度叠加）绝对绝对相对论时空观绝对（光速不变）？说明：绝对与参考系无关；相对与参考系有关设问：时间是否“相对的”设问：速度为绝对（光速不变），那么时间会变为相对的吗？（紧缩式）设计理想实验演示动画：列车以v相对于地面行驶，车厢里一边装有光源，正上方放置一面反射镜，可使由车厢底部发出的闪光，沿原路返回。设光源与反射镜的距离为h。车上、地面上各有一观察者。（注意光速对于两观察者都为c不变）观察提问：两观察者看到光传播有什么不同？（开放式提问）探究过程：让学生各抒己见。再进一步演示动画，追问。演示动画：高速运行的列车上，由车厢底部发出的闪光，对于车上的人来说，闪光是在竖直方向反射的，而车厢外的人认为被接收的反射光是沿斜线传播的观察提问：两观察者看到光传播的时间有什么不同？用思维提示卡提示进行数学探究1.对于车上的观察者来说，闪光是沿什么方向传播？设车上的观察者看到闪光经反射回到光源处的时间为t，求t 的大小？2.对于地上的观察者来说，闪光是沿什么方向传播？设地上的观察者看到闪光经反射回到光源处的时间为t，求t 的大小？3.求t与t 的关系？哪个大？这意味着什么？探究过程：请学生分小组演算、讨论（交流），再让学生各抒己见。展示结果：对于车厢外的人： 对于车厢内的人：解析：若v=0.9998c 则 t=50t。所以，爷爷太空旅行归来时, 孙子比自己还老。将探究结果内化设问：能否用你探究的结论解释“为什么归来时, 阿哥仍是风度翩翩一少年, 而迎接他的胞弟却是白发苍苍一老翁了？” 体验：用一个幽默故事说明相对论的格外艰深，然而同学们却能自己探究出。著名科学家爱因斯坦非常推崇卓别林的电影。一次，他在给卓别林的一封信中写道：“你的电影摩登时代，世界上的每一个人都能看懂。你一定会成为一个伟人。”卓别林在回信中写道：“我更加钦佩你。你的相对论世界上没有人能弄懂，但是你已经成为一个伟人。”6、理解和验证时间的相对性解释时间延缓演示动画：在站台上看运动火车上的钟变慢！增强学生的感性认识：对于地面上的观察者，根据相对论，时间在运动中会进行的比较缓慢，也就是说，在空间中高速移动的时钟，比固定于地面上的时钟走得慢时间相对性的实验验证1971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞行，然后与地面的基准钟对照实验结果与理论预言符合的很好这是相对论的第一次宏观验证7、反思 我学会哪些思维方式？ 我是否已经接受了相对论的观点？ 我是否能解释“天上方一日，地上已七年”？本节课以“教师为主导，学生为主体”的原则，通过教师创设问题情境和有效的设问引导，让学生亲历物理知识的构建过程；在教学方法和手段上，综合应用模拟实验演示、讲授、讨论等多种方法，并辅以多媒体等手段，把教学过程设计上以学生对速度叠加认识的运动学概念为切入点，在已有知识为基础上做出对比，以问题为主线的师生对话交流的过程；在学法指导上，让学生尝试自己观察思考、描述实验现象，分析概括，得出结论；使学生在获取知识过程中，领会物理学的研究方法，受到科学思维方法训练以及协作精神、探索精神等情感态度价值观教育。