《1 相對論的誕生》導學案

《1相對論的誕生》導學案班次：組號：姓名：【學習目標】知識與能力目標：了解相對論誕生的背景、過程和基本原理；理解經典相對性原理和狹義相對論的相對性原理之間的區(qū)別與聯(lián)系；能夠運用相對論的基本概念解釋一些簡單的物理現(xiàn)象。過程與方法目標：通過閱讀教材、小組討論、分析實例等方式，提高自主學習和合作探究的能力；學會用科學的思維方法去分析問題、解決問題，培養(yǎng)邏輯思維能力。情感態(tài)度與價值觀目標：感受愛因斯坦等科學家敢于質疑、勇于創(chuàng)新的科學精神；體會相對論對人類認識世界的巨大影響，激發(fā)對科學探索的興趣?！緦W法指導】預習探究、小組合作、實例分析、總結歸納【重、難點】重點：1、理解經典力學的相對性原理和狹義相對論的兩個基本假設。2、掌握時間和空間的相對性概念。難點：1、對狹義相對論中“同時”的相對性、長度收縮和時間延緩等概念的理解。2、如何從經典力學的絕對時空觀轉變到相對論的時空觀?！菊n前檢測】1、經典力學的相對性原理是什么？2、列舉一些經典力學能夠很好解釋的物理現(xiàn)象。3、你知道哪些現(xiàn)象是經典力學無法解釋的嗎？【知識鏈接】一、經典力學的輝煌成就在我們的日常生活中，經典力學無處不在。就像我們玩彈珠的時候，根據經典力學的原理，我們可以準確地預測彈珠的運動軌跡。只要知道彈珠的初始速度、發(fā)射角度和受到的摩擦力等因素，就能算出它會在哪里停止或者撞擊到什么東西。這就是經典力學的魅力，它在宏觀、低速的情況下非常準確。比如建房子的時候，工程師們利用經典力學來計算建筑物的結構承重，確保房子不會塌掉。汽車工程師也是依據經典力學原理設計汽車的機械結構，讓汽車能夠安全穩(wěn)定地行駛在道路上。二、經典力學的局限性然而，經典力學也不是萬能的。我有一次看科幻電影的時候就發(fā)現(xiàn)了一個很有趣的事情。電影里一艘宇宙飛船以接近光速的速度飛行，里面的宇航員時間過得好像比地球上的人慢很多。這就跟我們平時熟悉的經典力學不一樣了。在經典力學里，時間是絕對的，不管在哪里，時間的流逝速度都是一樣的?？墒窃谶@種高速的宇宙飛行場景下，經典力學就無法解釋這種時間差異的現(xiàn)象了。這就說明經典力學在高速運動和微觀領域是有局限性的。【學習過程】一、導入我給大家講個故事。有一天，我在看一本關于科學歷史的書，看到愛因斯坦提出相對論的時候，我就特別好奇。為什么他要提出這樣一個跟經典力學不太一樣的理論呢？原來啊，隨著科學的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)了很多經典力學解釋不了的現(xiàn)象。就像我前面說的科幻電影里的宇宙飛船高速飛行時的時間問題。那相對論到底是怎么誕生的呢？今天我們就一起來學習一下。二、點評學案完成情況老師檢查大家課前檢測的完成情況，看看大家對經典力學的基本認識有沒有到位。有問題的地方，老師會進行簡單的講解。三、明確本堂課的任務目標告訴大家這堂課我們要了解相對論誕生的來龍去脈，理解相對論的基本原理，還要學會用相對論的思維去解釋一些特殊的現(xiàn)象。四、閱讀教材，自主學習1、大家先仔細閱讀教材第十五章相對論簡介的第一節(jié)相對論的誕生。在閱讀的過程中，思考以下問題：-經典力學在當時面臨哪些挑戰(zhàn)？-愛因斯坦提出相對論的靈感來源可能有哪些？-狹義相對論的兩個基本假設是什么？這兩個假設和經典力學的相對性原理有什么不同？2、老師給大家一些閱讀提示：-注意教材里提到的實驗例子，像邁克爾遜-莫雷實驗，這個實驗結果對經典力學產生了很大的沖擊，大家要思考為什么這個結果會引發(fā)科學家的思考。-對于愛因斯坦提出的相對性原理和光速不變原理，要試著用自己的話去解釋一下，看看能不能理解。五、小組討論1、把大家分成小組，每個小組討論剛剛閱讀教材時遇到的問題和思考的結果。-小組內可以互相分享自己對經典力學局限性的理解，比如說經典力學在高速運動的粒子研究中遇到了什么問題。-討論狹義相對論的兩個基本假設，有沒有什么特別難以理解的地方。如果有，大家一起想辦法解釋清楚。2、小組討論的時候，老師會在各個小組間走動，聽聽大家的討論內容，給大家提供一些啟發(fā)式的問題：-當我們說光速不變的時候，這和我們平時理解的速度概念有什么沖突呢？-如果時間和空間是相對的，那我們怎么去衡量它們的相對性呢？-在經典力學里，我們認為不同參考系下的物理規(guī)律是一樣的，那在相對論里，這個觀點有什么變化嗎？六、小組展示1、每個小組派一個代表來展示小組討論的結果。-可以先說說小組對經典力學局限性的總結，比如經典力學在高速和微觀領域遇到的困難。-詳細解釋狹義相對論的兩個基本假設，并且對比和經典力學相對性原理的區(qū)別。-分享小組討論中關于如何理解相對論基本原理的好方法，特別是一些有趣的生活例子或者科幻情節(jié)的分析。2、其他小組可以進行提問和補充。這樣可以讓每個小組的觀點得到充分的交流和完善。七、重點講解1、經典力學的相對性原理-老師講解經典力學的相對性原理的含義，就是在一個慣性參考系內，力學規(guī)律都是一樣的。比如，在勻速行駛的火車上和在地面上做力學實驗，只要不考慮火車的晃動等小因素，得到的結果是一樣的。-舉例說明，在火車上扔一個小球，和在地面上扔一個小球，小球的運動軌跡在各自的參考系里都可以用經典力學來解釋。2、狹義相對論的相對性原理和光速不變原理-相對性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的。這里強調的是所有物理規(guī)律，而不只是力學規(guī)律了。-光速不變原理：真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，不管光源和觀察者的相對運動狀態(tài)如何。這是一個很反直覺的概念。老師可以用一個簡單的例子來解釋，比如說有兩列高速相對行駛的火車，火車上都有一個光源，不管是哪列火車上的人測量光的速度，得到的結果都是一樣的，都是光速c（這里的c就是真空中的光速，大概是3×10?米/秒）。3、時間和空間的相對性-同時的相對性：老師舉一個例子，假設有一列很長的火車，火車中間有一個光源，向車頭和車尾同時發(fā)射光線。在火車上的人看，光線同時到達車頭和車尾。但是在地面上的人看，因為火車在向前行駛，車尾是迎著光線走，車頭是背著光線走，所以地面上的人會覺得光線先到達車尾，后到達車頭。這就說明“同時”這個概念是相對的，取決于觀察者所在的參考系。-長度收縮：當一個物體相對于觀察者以接近光速的速度運動時，觀察者會發(fā)現(xiàn)這個物體在運動方向上的長度變短了。可以想象一下，一根很長的尺子在高速飛行，我們在地面上看它就會覺得它比靜止的時候短了。-時間延緩：運動的時鐘會變慢。就像前面提到的科幻電影里宇宙飛船高速飛行時，飛船上的時鐘走得比地球上的時鐘慢。老師可以用公式Δt=Δt?/√(1-v2/c2)來定量地解釋這個現(xiàn)象，其中Δt是運動參考系中的時間間隔，Δt?是靜止參考系中的時間間隔，v是運動速度，c是光速。八、課堂練習1、選擇題-下列關于經典力學相對性原理的說法正確的是（）A.只適用于力學現(xiàn)象B.適用于所有物理現(xiàn)象C.只適用于宏觀低速現(xiàn)象D.適用于微觀高速現(xiàn)象-根據狹義相對論的光速不變原理，下列說法正確的是（）A.光在真空中的速度與光源的運動狀態(tài)有關B.光在真空中的速度與觀察者的運動狀態(tài)有關C.光在真空中的速度與光源和觀察者的相對運動狀態(tài)無關D.以上說法都不對2、簡答題-簡述經典力學的相對性原理和狹義相對論的相對性原理的區(qū)別。-解釋為什么高速運動的物體在運動方向上會發(fā)生長度收縮現(xiàn)象。九、課堂小結1、回顧這堂課學習的內容，包括經典力學的局限性、相對論誕生的背景、狹義相對論的兩個基本假設以及時間和空間的相對性概念。2、強調相對論的提出是科學發(fā)展的必然結果，它突破了經典力學的局限，讓我們對世界的認識更加深入。3、鼓勵大家在課后繼續(xù)思考相對論相關的問題，探索更多有趣的物理現(xiàn)象。十、作業(yè)1、完成教材上的課后練習題。2、找一篇關于相對論應用的科普文章，閱讀后寫一篇讀后感，談談你對相對論在現(xiàn)代科技中的