《高速世界》的教案
第一節 高速世界
教學(xué)要求
1初步了解愛(ài)因斯坦相對論建立的背景，知道時(shí)間延緩，長(cháng)度縮短，質(zhì)速關(guān)系，質(zhì)能關(guān)系和時(shí)空彎曲。能運用相對論知識解釋簡(jiǎn)單的現象。
2了解經(jīng)典物理學(xué)的局限，知道經(jīng)典時(shí)空觀(guān)與相對論時(shí)空觀(guān)之間的關(guān)系。
3初步認識“猜想”，“假設”和“物理模型的構建”在科學(xué)研究中的重要作用，培養大膽質(zhì)疑的勇氣和批判意識。
教學(xué)重點(diǎn)
了解現代物理學(xué)的基礎知識。
通過(guò)物理學(xué)史的教育幫助學(xué)生建立辯證唯物主義的時(shí)空觀(guān)，同時(shí)讓學(xué)生體會(huì )到：科學(xué)的發(fā)展永無(wú)止境；在科學(xué)研究中要敢于質(zhì)疑，不迷信權威，選擇科學(xué)的研究方法巧妙地解決問(wèn)題。
教學(xué)難點(diǎn)
高速世界遠離我們所生活的低速世界，不但難以用生活經(jīng)驗來(lái)詮釋?zhuān)遗c生活經(jīng)驗相背離，導致學(xué)生難以接受。
經(jīng)典物理學(xué)的概念根深蒂固，導致學(xué)生對新理論難以理解。
高速實(shí)驗難以演示，缺乏直觀(guān)的實(shí)驗和形象生動(dòng)的實(shí)例使學(xué)生難以想象。
學(xué)情分析
學(xué)生已通過(guò)一年的物理學(xué)習基本建立經(jīng)典力學(xué)的概念體系，牛頓經(jīng)典時(shí)空觀(guān)與認知世界的協(xié)調，以及牛頓力學(xué)對現實(shí)世界解釋的巨大成功，使之對此深信不疑；況且教師在以往的教學(xué)中有意避開(kāi)對牛頓力學(xué)成立的先驗條件的闡述，因此學(xué)生對此缺乏認識，高速世界與牛頓力學(xué)的沖突又遠離他們的生活經(jīng)驗，不能構成他們進(jìn)一步求知的動(dòng)力。
教學(xué)目的
1知識與技能
知道世紀之交的晴朗的物理學(xué)天空上的兩朵烏云，了解其主要內容以及由此所引起的物理學(xué)理論的發(fā)展與創(chuàng )新。
認識經(jīng)典力學(xué)的實(shí)用范圍和局限性。知道經(jīng)典時(shí)空觀(guān)與相對論時(shí)空觀(guān)之間的關(guān)系。
初步了解相對論時(shí)空觀(guān)中的基本觀(guān)點(diǎn)，了解狹義相對論和廣義相對論。知道相對論以人類(lèi)認識高速世界的影響。
2過(guò)程與方法
經(jīng)歷科學(xué)家建立相對論的思維探索過(guò)程，認識科學(xué)思維的意義，學(xué)習科
學(xué)的思維方法，從中體驗成功的樂(lè )趣。
了解物理學(xué)的研究方法，認識理想實(shí)驗，物理模型和數學(xué)工具在科學(xué)研
究中的重要作用，以及物理驗證實(shí)驗在物理學(xué)發(fā)展過(guò)程中的作用。
3情感態(tài)度與價(jià)值觀(guān)
領(lǐng)略到自然界的奇妙與和諧，發(fā)展學(xué)生對科學(xué)的好奇心與求知欲。
養成敢于發(fā)表自己觀(guān)點(diǎn)，既堅持原則又尊重他人的良好習慣。培養有根據的懷疑精神和批判意識，敢于堅持真理，勇于創(chuàng )新和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神以及判斷大眾傳媒等有關(guān)信息是否科學(xué)的意識。
了解科學(xué)理論的相對性，知道科學(xué)理論發(fā)展過(guò)程的繼承與揚棄。
體會(huì )科學(xué)，技術(shù)與社會(huì )之間的互動(dòng)關(guān)系。
幾點(diǎn)教學(xué)設計及目的
1 標題：人類(lèi)的宇宙圖象
內容： 屈原＜＜天問(wèn)＞＞ 、天似穹廬，籠蓋四野（天圓地方）、亞里士多德＜＜論天＞＞中提到的.地圓說(shuō)及三個(gè)證據（月食，北極星的位置，先見(jiàn)船帆）、托勒密模型（地靜中心圓周說(shuō)）、哥白尼太陽(yáng)靜止中心圓周說(shuō)、開(kāi)普勒橢圓說(shuō)、牛頓的無(wú)中心說(shuō)……（有條件可采用FLASH作成動(dòng)畫(huà)，或用PPT也成）
目的：讓學(xué)生感受到人類(lèi)認識自然過(guò)程的曲折性，每一個(gè)先進(jìn)的理論往往都有他的時(shí)代的局限性，雖然它最終都被修正卻無(wú)損于它的偉大。為接下來(lái)的學(xué)習做好心理準備。
2 “拋磚”
剪輯一小段有關(guān)“時(shí)間旅行”或“星際旅行”的科幻影視片斷做成播放，調動(dòng)學(xué)生興趣，然后教師提出一個(gè)以經(jīng)典力學(xué)為基礎的推導，通過(guò)速度合成達到超光速以進(jìn)行時(shí)間或星際旅行的理論（此時(shí)教師最好是故作神秘，似乎通過(guò)“嚴謹”的推導，作出重大的理論發(fā)現似的。以期搞暈學(xué)生，逼出認知沖突。）
3 “引玉”
讓學(xué)生評價(jià)“速度合成超光速”的可能性，這時(shí)學(xué)生中必然有人閱讀過(guò)有關(guān)相對論的知識因而對此提出異議，此時(shí)可讓他們發(fā)言，互相反駁、質(zhì)疑，形成一種熱烈的求知氛圍。
4 “尺縮鐘慢”的推導
依據司南版＜＜物理必修2＞＞本節課的時(shí)間延緩效應示意圖，引導學(xué)生推導
�。�1）△t=△t′／(1-v2/c2)1/2、 (2) L′=L(1-v2/c2)1/2
得出“尺慢鐘縮”的結論。這部份的推導對于熟練掌握運動(dòng)學(xué)知識的學(xué)生來(lái)說(shuō)不算太難，讓他們體驗一下理論推理的樂(lè )趣，有助于提高學(xué)生的自信，認識科學(xué)推論的過(guò)程。
5 想象小論文
請發(fā)揮一下你的想象力，想象一下你在一個(gè)最高速度只有20公里的世界中旅行將會(huì )碰到什么有趣的事。
6模擬演示
用編織網(wǎng)袋或有彈性的布料做一個(gè)平面，再取兩個(gè)小鋼球放在平面上，模擬演示質(zhì)量使時(shí)空發(fā)生彎曲的現象。
教學(xué)流程
第一課時(shí)
1演示 標題：人類(lèi)的宇宙圖象
2“拋磚”
3“引玉”
4教師講述物理學(xué)史；
物理學(xué)大廈上空的兩朵烏云、“邁克爾遜－莫雷實(shí)驗”40年如一日反復得出的結果――光速不變、以太陰魂、牛頓力學(xué)的兩個(gè)先驗條件（絕對時(shí)空觀(guān)）。愛(ài)因斯坦通盤(pán)考慮了有關(guān)光的傳播速度的實(shí)驗結果和牛頓力學(xué)、麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的根基，他得出結論，唯一的出路是革命，從根本上改造經(jīng)典物理學(xué)，拋棄以太，拋棄絕對時(shí)間和絕對空間，在新的時(shí)間、空間概念的基礎上，建立全新的物理學(xué)體系――相對論。愛(ài)因斯坦的兩個(gè)基本假設（狹義相對論）、由相對論引發(fā)的兩個(gè)著(zhù)名佯謬“尺縮鐘慢”
5 “尺縮鐘慢”的推導
6 作業(yè)：想象小論文 ，收集有關(guān)相對論的資料。
第一課時(shí)結束。
第二課時(shí)
1學(xué)生朗誦＜＜想象小論文＞＞，討論是否符合相對論原理。
2輔導自學(xué)“質(zhì)速關(guān)系”“質(zhì)能關(guān)系”
3講解愛(ài)因斯坦升降機理想實(shí)驗并得出加速運動(dòng)和引力作用都導致了軌跡彎曲的結果。由此總結出“等效原理”； 預言光線(xiàn)彎曲并得到證實(shí)；將光線(xiàn)彎曲等效于時(shí)空彎曲來(lái)解釋引力場(chǎng)的效應、提出廣義相對論引力場(chǎng)方程。
4模擬演示“時(shí)空彎曲的引力效應”
5相對論的幾個(gè)預言及被證實(shí)的過(guò)程（由學(xué)生講述，教師補充）
6介紹愛(ài)因斯坦的生平及一生的偉大貢獻（由學(xué)生講述，教師補充）
7作業(yè)；試解釋“山中方七日，世上已千年”
對相對論有興趣的同學(xué)可課外閱讀＜＜時(shí)間簡(jiǎn)史＞＞＜＜時(shí)間簡(jiǎn)史續編＞＞＜＜時(shí)空本性＞＞＜＜相對論演義＞＞＜＜奇異的量子世界＞＞等書(shū)
有關(guān)相對論的一此資料：
1 公元1054年發(fā)生過(guò)一起非常著(zhù)名的超新星爆發(fā)事件，若光速能疊加則在幾十年后都能看到這顆超新星爆發(fā)時(shí)所發(fā)出的光，而實(shí)際情況卻像我國宋史上所記載的那樣“歲余稍沒(méi)”，此事間接證明了光速不變原理。
2 激發(fā)氫原子的實(shí)驗以及對宇宙線(xiàn)的研究過(guò)程都證實(shí)了時(shí)間膨脹說(shuō)。
3 廣義相對論解釋了水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)問(wèn)題，證明它是于實(shí)踐的科學(xué)理論。
4 廣義相對論預言了光譜線(xiàn)的引力紅移，并得到證實(shí)。
5 英國的日全蝕觀(guān)測隊證實(shí)了星光在近太陽(yáng)時(shí)彎曲。
6 廣義相對論解釋了“愛(ài)因斯坦十字星座”現象
本文只是給出一個(gè)授課過(guò)程的框架性建議，以及一此參考資料，本課內容多，處理也靈活，相信每個(gè)教師都有自己的特點(diǎn)及學(xué)情，不應受到束縛。這里只是拋磚引玉而已。
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