《第01節(jié)經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性》教學(xué)設(shè)計(jì)(廣東省省級(jí)優(yōu)課)x-物理教案

《經(jīng)典力學(xué)的成就和局限性》教學(xué)設(shè)計(jì)粵教版必修二第五章第一節(jié)一.教學(xué)目標(biāo):1.課程標(biāo)準(zhǔn)：初步了解經(jīng)典時(shí)空觀和相對論時(shí)空觀，知道相對論對人類認(rèn)識(shí)世界的影響；初步了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象，知道宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點(diǎn)，體會(huì)量子論的建立深化了人類對物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)；通過實(shí)例，了解經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程和偉大成就，體會(huì)經(jīng)典力學(xué)創(chuàng)立的價(jià)值與意義，認(rèn)識(shí)經(jīng)典力學(xué)的適用范圍和局限性；體會(huì)科學(xué)研究方法對人們認(rèn)識(shí)自然的重要作用，舉例說明物理學(xué)的進(jìn)展對于自然科學(xué)的促進(jìn)作用。2.三維目標(biāo)：【知識(shí)與技能】(1)了解經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程和偉大成就．(2)知道經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍．(3)了解高速、微觀、強(qiáng)引力世界中的奇妙物理現(xiàn)象,知道處理上述問題的相關(guān)理論．(4)了解經(jīng)典力學(xué)與相對論和量子力學(xué)的關(guān)系.【過程與方法】（1）經(jīng)歷經(jīng)典力學(xué)建立的物理學(xué)史過程，培養(yǎng)科學(xué)的思維和對物理的熱愛（2）經(jīng)歷經(jīng)典力學(xué)局限性的論證過程，培養(yǎng)思維的條理性和總結(jié)能力（3）經(jīng)歷自主、合作、探究的學(xué)習(xí)過程，培養(yǎng)自主與合作意識(shí)【情感態(tài)度價(jià)值觀】（1）知道物理規(guī)律一般都有其適用范圍，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的無窮性（2）培養(yǎng)求真務(wù)實(shí)、獻(xiàn)身于科學(xué)的時(shí)代精神。3．高中物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向的目標(biāo)：高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面。物理觀念包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應(yīng)用等要素。科學(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。科學(xué)探究主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任主要包括科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)倫理、STSE等要素。結(jié)合本節(jié)的內(nèi)容和學(xué)生的基礎(chǔ)，應(yīng)重點(diǎn)落實(shí)物理觀念和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任這兩大方面核心素養(yǎng)導(dǎo)向的目標(biāo)，兼顧落實(shí)科學(xué)思維和科學(xué)探究的某些要素導(dǎo)向目標(biāo)。（1）物理觀念導(dǎo)向目標(biāo)分析。本節(jié)內(nèi)容對學(xué)生提煉物理觀念具有催化劑的作用，是點(diǎn)化經(jīng)典物理物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)觀、能量觀和相互作用觀向現(xiàn)代物理觀念轉(zhuǎn)化的重要素材。（2）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任導(dǎo)向目標(biāo)分析。了解經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程和局限性，能夠體會(huì)科學(xué)理論的發(fā)展性和相對性，了解巨大成就，體會(huì)經(jīng)典力學(xué)的科學(xué)方法、理論嚴(yán)密、體系完整、實(shí)踐性、絕對性等科學(xué)本質(zhì)特征，從而感悟科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。了解巨大成就，還可以感受科學(xué)價(jià)值，激發(fā)學(xué)習(xí)物理興趣，增強(qiáng)立志運(yùn)用物理知識(shí)服務(wù)社會(huì)的責(zé)任感。（3）科學(xué)思維導(dǎo)向的目標(biāo)分析。了解物理史中模型的發(fā)展和基于解決矛盾的觀念變化，潛移默化，形成建模意識(shí)和質(zhì)疑創(chuàng)新等科學(xué)思維素養(yǎng)，（4）科學(xué)探究導(dǎo)向的目標(biāo)分析。了解物理史中的科學(xué)探究的問題、證據(jù)、解釋等要素，潛移默化為科學(xué)探究素養(yǎng)。二．教材和學(xué)情分析1．教材分析：本節(jié)課型從教學(xué)時(shí)序上看屬于新授課，從教學(xué)內(nèi)容上看是物理學(xué)史教學(xué)課，不是概念課但會(huì)涉及許多新概念，新觀念，內(nèi)容廣闊博大，所涉及的內(nèi)容都是現(xiàn)代物理的觀念和現(xiàn)象，都十分抽象、怪異，和學(xué)生已獲得的生活經(jīng)驗(yàn)積累差異很大。本節(jié)內(nèi)容主要的教育功能是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度和責(zé)任，滲透現(xiàn)代物理觀念等學(xué)科核心素養(yǎng)。對照教學(xué)目標(biāo)，不難發(fā)現(xiàn)，粵教版教材這一節(jié)的教學(xué)內(nèi)容編寫太過簡約，如若照本宣科，是無法實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的，借鑒人教版《經(jīng)典力學(xué)的局限性》中的內(nèi)容，將本教材中第二節(jié)《經(jīng)典時(shí)空觀和相對論時(shí)空觀》融入在本節(jié)課，既能通過將經(jīng)典力學(xué)的局限性更好的展示出來，又能通過學(xué)生感興趣的相對論來增加課題趣味，利用多個(gè)視頻資料激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情，培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)2．學(xué)情分析：學(xué)生對經(jīng)典力學(xué)的認(rèn)識(shí)也十分有限，對現(xiàn)代物理的兩大支柱相對論和量子力學(xué)了解就更加稀少，較好的學(xué)生通過科普資料對一些現(xiàn)代物理概念術(shù)語也知一知半解。學(xué)生自己閱讀相關(guān)資料，會(huì)遇到許多新觀念、新概念和規(guī)律，難以理解，盲目閱讀，閱讀信心會(huì)受到打擊，喪失學(xué)習(xí)興趣。三．教學(xué)方法：從課標(biāo)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)來看，粵教版的這節(jié)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置雖然豐富，但是無法滿足學(xué)生的需要，需要補(bǔ)充更多內(nèi)容：經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展史料，相對論的理解與發(fā)展，經(jīng)典力學(xué)與相對論和量子力學(xué)的關(guān)系，補(bǔ)充了解、認(rèn)識(shí)局限性和適用范圍的現(xiàn)象對比，觀念差異等，故本節(jié)課適合使用講授法。通過影片《星際穿越》中的一系列問題，教師對教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)和講授，使學(xué)生在思考討論中對物理學(xué)的見識(shí)站在教師的肩膀上，望的更遠(yuǎn)、更廣些，對部分好的學(xué)生，激發(fā)他們的濃厚興趣，課外主動(dòng)涉獵相關(guān)物理知識(shí)。四．教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)分析1．教學(xué)重點(diǎn)：經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程、巨大成就和局限性。2．教學(xué)難點(diǎn)：經(jīng)典力學(xué)與相對論和量子力學(xué)的關(guān)系。五．教學(xué)過程1.【導(dǎo)入新課】播放電影《星際穿越》的一個(gè)片段，讓學(xué)生通過觀看影片找到影片中關(guān)于時(shí)間的幾個(gè)關(guān)鍵詞：【學(xué)生回答】：時(shí)間變慢，黑洞，穿越，時(shí)間不同【教師提問】：為什么時(shí)間會(huì)出現(xiàn)不同呢？【ppt展示圖片】并追問：影片中最令人感動(dòng)的一個(gè)情節(jié)是，父親離開地球執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候他的女兒還是一個(gè)妙齡少女，為什么他回來的時(shí)候他的女兒已經(jīng)變成一個(gè)白發(fā)蒼蒼的老太太而父親的容貌卻幾乎沒有發(fā)生變化？能否用前面學(xué)過的物理知識(shí)來解釋？【學(xué)生無法解釋，產(chǎn)生問題，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣】2【新課教學(xué)】經(jīng)典力學(xué)的成就【趁熱打鐵】借助學(xué)生產(chǎn)生的問題，教師繼續(xù)發(fā)問，推進(jìn)新課教學(xué)【教師提問】我們來回顧我們前面所學(xué)到的物理內(nèi)容也就是經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)有兩大支柱分別是什么？【學(xué)生回答】牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬有引力定律【教師引導(dǎo)】這兩大定律是牛頓一個(gè)人提出來的嗎？牛頓有一句非常著名的話：“我之所以看的遠(yuǎn)，是因?yàn)槲艺驹诰奕说募绨蛏稀毕旅嫖覀儊砘仡櫼幌陆?jīng)典力學(xué)的發(fā)展史，也看看牛頓說的這些巨人都有誰？他們又是通過什么樣的方式為經(jīng)典力學(xué)做了哪些貢獻(xiàn)？【學(xué)生回答】學(xué)生通過預(yù)習(xí)課本的內(nèi)容結(jié)合前面學(xué)到的物理知識(shí)回顧經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展史亞里士多德——觀察、經(jīng)驗(yàn)：必須有力作用在物體上物體才能運(yùn)動(dòng)伽利略——實(shí)驗(yàn)、推理：物體保持運(yùn)動(dòng)不需要力維持笛卡爾——總結(jié)歸納，數(shù)學(xué)推導(dǎo)：如果運(yùn)動(dòng)中物體沒受到力。將以同一速度沿以直線運(yùn)動(dòng)。牛頓——?dú)w納演繹、實(shí)驗(yàn)觀察、數(shù)學(xué)推導(dǎo)：牛頓三大運(yùn)動(dòng)定律【教師補(bǔ)充】在學(xué)生回答的基礎(chǔ)上，教師進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶釂柡脱a(bǔ)充幫助學(xué)生更快更好的回顧經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展史，通過物理學(xué)史領(lǐng)悟科學(xué)家做出的偉大貢獻(xiàn)的同時(shí)，也知道科學(xué)思維方法的逐步提升和完善，【教師提問】通過生活中的實(shí)例提問，一個(gè)物體如果不受力將做什么運(yùn)動(dòng)？受恒力？受變力？由物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和力的關(guān)系引導(dǎo)學(xué)生分析牛頓運(yùn)動(dòng)定律得到：牛頓運(yùn)動(dòng)定律是研究地面上物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律?！緦W(xué)生回答】萬有引力定律發(fā)展過程科學(xué)家的貢獻(xiàn)和成就哥白尼——為真理獻(xiàn)身，日心說第谷——天才觀測家，20年精心繪制行星數(shù)據(jù)開普勒——堅(jiān)信真理，研究數(shù)據(jù)得到開普勒三大定律胡克，哈雷——理論分析，進(jìn)一步解釋行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律牛頓——總結(jié)，歸納，數(shù)學(xué)推導(dǎo)，形成萬有引力定律【教師引導(dǎo)】結(jié)合我國航天事業(yè)的發(fā)展，提出衛(wèi)星發(fā)射和回收問題，得到萬有引力定律是研究天上物體的運(yùn)動(dòng)?！窘處熜〗Y(jié)】：我們把研究地面上物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的牛頓運(yùn)動(dòng)定律和研究天上物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的萬有引力定律以及在經(jīng)典力學(xué)形成過程中的科學(xué)思維方法組合起來，就夠了經(jīng)典力學(xué)。有了牛頓的經(jīng)典力學(xué)，我們可以解釋地面上物體的運(yùn)動(dòng)，例如博爾特起跑，沖刺，以及他在整個(gè)跑步中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)，也可以解釋天體運(yùn)動(dòng)，例如嫦娥一號(hào)衛(wèi)星的發(fā)射，變軌，回收，再加上科學(xué)的思維方法，經(jīng)典力學(xué)已經(jīng)非常非常完美了。所以在1900年英國皇家學(xué)會(huì)的新年晚會(huì)上，開爾文勛爵說物理學(xué)的大廈已經(jīng)非常完美，剩下的只是做一些修修補(bǔ)補(bǔ)的工作。3．【推進(jìn)新課教學(xué)】——經(jīng)典力學(xué)的局限性【教師提問】經(jīng)典力學(xué)真的是完美的嗎？，他真的能解釋一切物理問題嗎？從剛才對經(jīng)典力學(xué)的回顧我們可以看出，我們能不能解釋為什么女兒年齡會(huì)看上去比父親大，這就說明經(jīng)典力學(xué)還是有局限性的。【教師引導(dǎo)】經(jīng)典力學(xué)的局限性來自于牛頓的經(jīng)典時(shí)空觀。（1）時(shí)間間隔絕對性（2）空間距離絕對性【舉例說明經(jīng)典時(shí)空觀】（1）一節(jié)課的時(shí)間不會(huì)因?yàn)槿魏问挛锇l(fā)生變化，就是40分鐘，時(shí)間間隔不變（2）教室的大小不會(huì)因?yàn)槿魏问挛锇l(fā)生變化，就是這么大，空間距離不變【提問】你還能舉出生活在的其他例子嗎？【追問】為什么幾百年來我們對于牛頓的經(jīng)典時(shí)空觀沒有提出過異議？【提示】因?yàn)槲覀兩钤谝粋€(gè)低速的環(huán)境中，而如果我們運(yùn)動(dòng)的速度增大到接近光速比如說像影片中的飛船，那么經(jīng)典時(shí)空觀就不再適用了。這個(gè)時(shí)候我們就需要召喚出另外一位偉大的科學(xué)家：愛因斯坦1.從低速到高速——【狹義相對論】【教師引導(dǎo)】愛因斯坦提出了相對論時(shí)空觀（1）不同慣性參考系，物理規(guī)律相同（2）任何慣性系，光速不變【教師解釋】光速不變：如果有一艘船以速度v向前行駛，同時(shí)往前發(fā)出一束光速度為c，那么在經(jīng)典時(shí)空觀中我們看到光的速度是多少？【學(xué)生回答】v+c兩個(gè)速度疊加，光的速度變大【追問】如果在相對論時(shí)空觀呢？【學(xué)生回答】因?yàn)楣馑俨蛔兯怨獾乃俣冗€是c【教師總結(jié)】正是由于光的速度不變，如果船的速度v比較小相對c可以忽略，也就是我們生活的情景這個(gè)時(shí)候牛頓的經(jīng)典時(shí)空觀是成立的，如果當(dāng)船的速度接近光速時(shí)差別就顯示出來了?！居^看影片】中央電視臺(tái)有一檔科學(xué)探索節(jié)目對狹義相對論做了解釋，下面讓我們一起來學(xué)習(xí)一下。通過影片生動(dòng)，形象，簡潔的解釋能更好的理解狹義相對論?！窘處熖釂枴坑捌刑岬皆诟咚僖苿?dòng)的飛機(jī)上的時(shí)間會(huì)有什么變化？通過坐飛機(jī)來長壽，人一輩子能獲得多少時(shí)間？這個(gè)時(shí)間又是怎么計(jì)算出來的？下面讓我們來看看偉大的愛因斯坦的聰明之處【教師引導(dǎo)】相對論對很多人來說都是非常的神秘難懂，以至于在當(dāng)時(shí)世界上只有幾個(gè)科學(xué)家看得懂。今天老師就帶領(lǐng)大家用所學(xué)到的知識(shí)一起來推導(dǎo)出狹義相對論的公式，看看大家是否足夠聰明。（激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣）【狹義相對論時(shí)間膨脹公式推導(dǎo)】通過火車上的光源來推導(dǎo)【教師小結(jié)】大家看神秘的相對論公式是不是被我們推導(dǎo)出來？看來大家都有成為物理學(xué)家的潛質(zhì)【教師提問】：有了這個(gè)公式我們再來回答為什么女兒的年齡看起來比爸爸的年齡大很多？【學(xué)生回答】：因?yàn)楦赣H做航天飛機(jī)以接近光速飛行了，他的時(shí)間膨脹了【教師提問】假如飛船的速度是0.88c那么飛船上經(jīng)過一年，地球上經(jīng)過多少年？【ppt展示】狹義相對論的另外兩條公式：長度公式，質(zhì)量公式，解釋公式中各符號(hào)的意義，說明運(yùn)動(dòng)的尺子長度會(huì)變短，質(zhì)量會(huì)變大。【課后思考】請同學(xué)們在課后相互討論看能否利用我們已學(xué)過的知識(shí)來推導(dǎo)下面兩個(gè)公式，提示，遇到不懂的問題可以借助網(wǎng)絡(luò)的力量來輔助學(xué)習(xí)。當(dāng)然這3個(gè)公式我們在高中階段是不需要掌握其計(jì)算的，但是我們要知道其出現(xiàn)的背景，更重要的是我們要知道原來利用我們學(xué)到過一些簡單的物理知識(shí)是可以推導(dǎo)出更高深的物理知識(shí)，所以我們要把高中物理學(xué)好學(xué)扎實(shí)。【ppt展示】利用兩幅視覺對比效應(yīng)的圖，在進(jìn)一步解釋狹義相對論。同時(shí)引用愛因斯坦對相對論的解釋進(jìn)一步說明。2.從弱引力到強(qiáng)引力——【廣義相對論】【投影水星進(jìn)動(dòng)的動(dòng)畫】簡介水星進(jìn)動(dòng)發(fā)現(xiàn)的物理故事，行星的運(yùn)行軌道并不是嚴(yán)格閉合的，它們的近日點(diǎn)在不斷地旋進(jìn)。【教師提問】：為什么會(huì)發(fā)生水星進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象？萬有引力定律能解釋嗎？【學(xué)生產(chǎn)生問題】無法回答，引起矛盾，產(chǎn)生興趣【教師引導(dǎo)】教師介紹弱引力無法解釋水星進(jìn)動(dòng)，需要引入強(qiáng)引力解釋水星進(jìn)動(dòng)的原因，引出廣義相對論【觀看視頻】通過廣義相對論解釋的視頻進(jìn)一步了解廣義相對論的內(nèi)容和發(fā)展歷程【教師總結(jié)】我們在影片中看到的黑色洞穴，產(chǎn)生穿越的原因你看懂了嗎？原來當(dāng)天體的質(zhì)量很大比如黑洞，這個(gè)時(shí)侯天體間的引力就趨于無窮大，屬于強(qiáng)引力。黑洞這種極端條件下的宇宙天體。它有極強(qiáng)的吸引力，黑洞本身的巨大質(zhì)量造成空間彎曲，在一定的條件下就可以回到過去。【引力波的發(fā)現(xiàn)】ppt展示2016年引力波的發(fā)現(xiàn)證明了廣義相對論的正確性，在這個(gè)團(tuán)隊(duì)中就有我們學(xué)校的師兄，原來科學(xué)的發(fā)現(xiàn)竟然離我們這么近，我們也可以成為科學(xué)家。目前人類還無法找到這個(gè)一個(gè)黑洞和回到過去的方法，希望各位同學(xué)能夠努力學(xué)習(xí)找到回到過去的方法，為人類的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。3.從宏觀到微觀——【量子力學(xué)】【教師導(dǎo)入】雖然廣義相對論給人們提供了一個(gè)回到過去的途徑，但是科學(xué)家又提出了一個(gè)有趣的問題：如果你回到了過去一不小心害死了你的祖母，那么你的父親就無法出生，自然也就沒有你，那你怎么回到過去呢？這就是著名的“祖母悖論”。當(dāng)然我們的物理學(xué)家是非常的聰明，我們來看看他們又是怎么回答這個(gè)問題的，提出了什么樣的新的理論【ppt展示投籃動(dòng)畫】【教師提問】：籃球場上，籃球出手的瞬間，我們能否預(yù)測籃球運(yùn)動(dòng)的軌跡，籃球的落點(diǎn)，以及籃球是否能投中籃筐？【學(xué)生回答】可以。因?yàn)槲覀兺ㄟ^對籃球進(jìn)行受力分析，籃球受重力，具有斜向上的速度，做斜拋。我們可以通過公式計(jì)算出籃球運(yùn)動(dòng)的軌跡，籃球的落點(diǎn)，以及籃球是否能投中?！窘處熥穯枴浚喝绻鸦@球縮小到只有電子的大小，再投一次藍(lán)，會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果呢？為了方便觀察電子落點(diǎn)的位置，我們在籃框后面放了一個(gè)光屏，現(xiàn)在我們給電子一個(gè)水平方向的初速度，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡和落點(diǎn)會(huì)是什么樣呢？【學(xué)生回答】：都會(huì)落在中間的位置上【播放動(dòng)畫】與學(xué)生認(rèn)知產(chǎn)生矛盾【教師總結(jié)】：實(shí)際上這個(gè)動(dòng)畫是模擬一個(gè)實(shí)驗(yàn)，電子束轟擊鋁箔的實(shí)驗(yàn)，真正的實(shí)驗(yàn)照片是這樣的（展示實(shí)驗(yàn)圖片），亮的地方表明電子到達(dá)了，原本以為電子會(huì)只在中間的位置出現(xiàn)，這兒確實(shí)也比其他地方亮，說明到達(dá)中間的電子還是比較多，但是還有一些電子卻達(dá)到了環(huán)形位置，可見在微觀世界里，經(jīng)典力學(xué)不適用了。這個(gè)時(shí)候就要用量子力學(xué)來解釋，而量子力學(xué)最大的特點(diǎn)就是不確定性。有了這個(gè)不確定性，我們就可以來解釋剛剛“祖母悖論”這個(gè)問題，宇宙中也存在不確定性，也就是所謂的平行空間，在這個(gè)空間了你不小心害死你的祖母，但是由于不確定性，會(huì)存在