2024-2025學(xué)年高中物理第六章相對論與量子論初步第1節(jié)高速世界教案魯科版必修2

PAGE7-第1節(jié)高速世界－時間延緩效應(yīng)愛因斯坦的相對論這一理論曾被許多人認(rèn)為是一種怪誕的異想，而現(xiàn)在卻成為現(xiàn)代物理學(xué)的奠基石。就象沒有分子和原子的概念，現(xiàn)代物理學(xué)不能存在一樣，沒有相對論，現(xiàn)代物理學(xué)也不能存在。沒有相對論，大量的物理現(xiàn)象將不行能得到說明。粒子加速器的設(shè)計和原子反應(yīng)的計算，都是建立在相對論的基礎(chǔ)上的。相對論的建立是現(xiàn)代物理學(xué)最宏大的成就之一，建立相對論的時空觀對于現(xiàn)代的中學(xué)生是特別重要?？墒?，相對論的原理除了少數(shù)專業(yè)人員，卻很少有人知道，特殊是對我們的中學(xué)生，這一理論則顯得特別艱深。所幸的是“物理新課程標(biāo)準(zhǔn)”中已把她納入中學(xué)物理。新課標(biāo)的新理念為中學(xué)物理教學(xué)供應(yīng)了廣袤的空間，正逢我校參加的全國教化科學(xué)“信息技術(shù)與課程整合課題的探討，所以本人想在此做些探究，將課題探討與實(shí)際教學(xué)結(jié)合，解決教學(xué)中的困難，僅供大家探討之用，希望大家多提珍貴見解?！颊n程目標(biāo)的制定〗依據(jù)新課程理念所提倡教化的“人性化”，本課從“學(xué)問與技能、過程與方法、情感看法與價值觀”三個唯度來制定教學(xué)目標(biāo)，實(shí)施課堂教學(xué)。教學(xué)目標(biāo)：㈠學(xué)問與技能目標(biāo)：理解光速不變與經(jīng)典的速度的相對性之間的沖突。理解狹義相對論的兩個基本假設(shè)。理解時間間隔的相對性。課外能接著學(xué)習(xí)相對論的其他內(nèi)容。㈡過程與方法目標(biāo)：培育學(xué)生的擺脫固有的思維實(shí)力、想象力和創(chuàng)新精神。學(xué)會科學(xué)創(chuàng)建的基本過程。培育學(xué)生的元認(rèn)知水平。學(xué)習(xí)正確的相識方法：實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一方法。㈢情感看法與價值觀目標(biāo)：體驗(yàn)科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)創(chuàng)建的過程。體驗(yàn)相對論的時空觀是如此的和諧、漂亮。激發(fā)學(xué)生探究科學(xué)的精神。【教學(xué)設(shè)計的說明】1.速度合成法則和時間的確定性的問題在學(xué)生的頭腦中已經(jīng)根深蒂固．在教學(xué)中，一方面要讓學(xué)生相識到試驗(yàn)是檢驗(yàn)物理學(xué)問正確與否的最終標(biāo)準(zhǔn)，另一方面要讓學(xué)生信任邏輯的力氣。2.時間相對性結(jié)論的推導(dǎo)從數(shù)學(xué)上講是不嚴(yán)格的，但對于中學(xué)生理解相對論是很重要的，可從數(shù)量關(guān)系上開發(fā)出可探究的內(nèi)容，通過建立志向試驗(yàn)，親自進(jìn)行數(shù)學(xué)探究得到時間延緩效應(yīng)，將相對論時空觀真正納入已有的圖式。目的也在發(fā)展學(xué)生的頭腦中已經(jīng)存在的根深蒂固的經(jīng)典時空觀。3.元認(rèn)知是學(xué)習(xí)策略之首，在教學(xué)中進(jìn)行元認(rèn)知訓(xùn)練的滲透是很重要的。愛因斯坦曾經(jīng)說過電影是最好的教化手段之一，利用電影將教學(xué)難點(diǎn)形象化、簡潔化，將困難過程壓縮這都是電影課的特點(diǎn)。本課結(jié)合了以上特點(diǎn)?！菊n堂教學(xué)的過程】㈠教學(xué)引入：2005—世界物理年，是為了紀(jì)念愛因斯坦創(chuàng)立相對論100周年提出的。愛因斯坦的這一理論曾被當(dāng)時許多人認(rèn)為純粹是一種怪誕的異想，而現(xiàn)在早已成為現(xiàn)代物理學(xué)的奠基石。沒有相對論，現(xiàn)代物理學(xué)也不復(fù)存在。4月18日是愛因斯坦逝世50周年。歐洲物理學(xué)會、聯(lián)合國教科文組織共同發(fā)起了“物理照射世界”活動，以紀(jì)念愛因斯坦。美國東部時間18日20時30分，“物理照射世界”光束從愛因斯坦工作過的美國普林斯頓高校動身，繞全球一周，“途中”要經(jīng)過我國34個城市。下面我們來觀看一段愛因斯坦的錄像。觀看一段愛因斯坦的錄像（2.5分鐘）㈡教學(xué)內(nèi)容1、設(shè)疑并提出探究的主題來自錄象的情境：（科幻小說）一對年華正茂的孿生兄弟,哥哥告辭弟弟,登上訪問牛郎織女的旅程。歸來時,阿哥仍是風(fēng)度翩翩一少年,而迎接他的胞弟卻是白發(fā)蒼蒼一老翁了,真是“天上方七日,地上已千年”。設(shè)疑：“天”“地”的時間為什么不一樣？這就是我們今日要探究的問題。（提出主題）2、思維訓(xùn)練（1）橫看成嶺側(cè)成峰，遠(yuǎn)近凹凸各不同。展示圖片：一排排的房子設(shè)問：全部的房子的豎直方向的柱子都平行嗎？學(xué)生受固有思維的影響，會得出確定的答案。展示圖片：地球的全景圖及上面的房子學(xué)生一看圖就知道自己的答案錯了。反問：你的回答對了嗎？為什么？（進(jìn)行元認(rèn)知訓(xùn)練，學(xué)生反省自己的思維）結(jié)論：當(dāng)我們跳出原來的圈子，去視察事物時，會有全新的發(fā)覺。但跳出原來的圈子是須要擺脫固有的思維，須要豐富的想象力和創(chuàng)新精神。（2）原來科學(xué)家就是這樣創(chuàng)建的展示科學(xué)創(chuàng)建的流程圖：結(jié)合元認(rèn)知訓(xùn)練卡講解并描述科學(xué)創(chuàng)建的過程（提出三個自我反思的元認(rèn)知問題）：我是否比較了“原理論”與“新試驗(yàn)現(xiàn)象”產(chǎn)生的條件的異同？在新的條件下，我是否敢于提出新的假設(shè)（“新試驗(yàn)現(xiàn)象”的結(jié)論，但可能與“原理論”沖突）？在新的條件下，我是否敢于突破原有“相對的速度、確定的時空”變?yōu)椤按_定的光速、相對的時空”。3、預(yù)備學(xué)問（講授）§慣性參考系：牛頓運(yùn)動定律成立的參考系。§速度疊加原理。§牛頓力學(xué)探討的對象：低速運(yùn)動的物體?！爝@里高速世界是指與光速可比的速度和光速。§伽利略相對性原理：力學(xué)定律在一切慣性參考系中具有相同的形式?！飒M義相對性原理：物理定律在任何慣性參考系中具有相同的形式。4、接受：光速與參考系無關(guān)看電影提示：在不同參照系中，測量到的光速C都一樣嗎？什么是速度？⑴利用電影將志向試驗(yàn)形象化電影：在地面上測光速，和在高速的汽車上測光速都為c⑵利用電影講解并描述邁克耳孫－莫雷試驗(yàn)電影：地球相對光源運(yùn)動，在地球上不同的緯度、不同的時間，邁克爾遜干涉儀進(jìn)行精密測量得到光速不變。以上⑴⑵兩點(diǎn)應(yīng)用電影進(jìn)行教學(xué)將教學(xué)難點(diǎn)形象化、簡潔化，壓縮了困難過程。5、探究二：探究時間延緩效應(yīng)⑴假如你是愛因斯坦你如何思索回答問題：在不同參照系中，測量到的光速C都一樣嗎？什么是速度？“速度疊加原理”與試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了沖突。設(shè)問：在不同參照系中，測量到的光速C都一樣嗎？你有什么猜想。（發(fā)散式）探究提示：請結(jié)合元認(rèn)知卡，發(fā)揮你豐富的想象力，對上述沖突，大膽地做出你的論斷。⑵時空觀的革命速度時間空間……經(jīng)典時空觀相對（速度疊加）確定確定……相對論時空觀確定（光速不變）？？？？……說明：?確定——與參考系無關(guān)；?相對——與參考系有關(guān)設(shè)問：時間是否“相對的”設(shè)問：速度為確定（光速不變），那么時間會變?yōu)橄鄬Φ膯?？（緊縮式）設(shè)計志向試驗(yàn)演示動畫：列車以v相對于地面行駛，車廂里一邊裝有光源，正上方放置一面反射鏡，可使由車廂底部發(fā)出的閃光，沿原路返回。設(shè)光源與反射鏡的距離為h。車上、地面上各有一視察者。（留意光速對于兩視察者都為c不變）視察提問：兩視察者看到光傳播有什么不同？（開放式提問）探究過程：讓學(xué)生各抒己見。再進(jìn)一步演示動畫，追問。演示動畫：高速運(yùn)行的列車上，由車廂底部發(fā)出的閃光，對于車上的人來說，閃光是在豎直方向反射的，而車廂外的人認(rèn)為被接收的反射光是沿斜線傳播的．視察提問：兩視察者看到光傳播的時間有什么不同？用思維提示卡提示進(jìn)行數(shù)學(xué)探究1.對于車上的視察者來說，閃光是沿什么方向傳播？設(shè)車上的視察者看到閃光經(jīng)反射回到光源處的時間為△t′，求△t′的大??？2.對于地上的視察者來說，閃光是沿什么方向傳播？設(shè)地上的視察者看到閃光經(jīng)反射回到光源處的時間為△t，求△t的大小？3.求△t與△t′的關(guān)系？哪個大？這意味著什么？探究過程：請學(xué)生分小組演算、探討（溝通），再讓學(xué)生各抒己見。展示結(jié)果：對于車廂外的人：對于車廂內(nèi)的人：∴解析：若v=0.9998c則△t=50△t′。所以，爺爺太空旅行歸來時,孫子比自己還老。將探究結(jié)果內(nèi)化設(shè)問：能否用你探究的結(jié)論說明“為什么歸來時,阿哥仍是風(fēng)度翩翩一少年,而迎接他的胞弟卻是白發(fā)蒼蒼一老翁了？”體驗(yàn)：用一個幽默故事說明相對論的特別艱深，然而同學(xué)們卻能自己探究出。聞名科學(xué)家愛因斯坦特別推崇卓別林的電影。一次，他在給卓別林的一封信中寫道：“你的電影《摩登時代》，世界上的每一個人都能看懂。你確定會成為一個偉人。”卓別林在回信中寫道：“我更加敬佩你。你的相對論世界上沒有人能弄懂，但是你已經(jīng)成為一個偉人?！?、理解和驗(yàn)證時間的相對性⑴說明時間延緩演示動畫：在站臺上看運(yùn)動火車上的鐘變慢！增加學(xué)生的感性相識：對于地面上的視察者，依據(jù)相對論，時間在運(yùn)動中會進(jìn)行的比較緩慢，也就是說，在空間中高速移動的時鐘，比固定于地面上的時鐘走得慢．⑵時間相對性的試驗(yàn)驗(yàn)證1971年，科學(xué)家將銫原子鐘放在噴氣式飛機(jī)中作環(huán)球飛行，然后與地面的基準(zhǔn)鐘比照．試驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)言符合的很好．這是相對論的第一次宏觀驗(yàn)證．7、反思我學(xué)會哪些思維方式？我是否已經(jīng)接受了相對論的觀點(diǎn)？我是否能說明“天上方一日，地上已七年”？本節(jié)課以“老師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的原則，通過老師創(chuàng)設(shè)問題情境和有效的設(shè)問引導(dǎo)，讓學(xué)生親歷物理學(xué)問的構(gòu)建過程；在教學(xué)方法和手段上，綜