《高速世界》的教案
第一節(jié) 高速世界
教學(xué)要求
1初步了解愛(ài)因斯坦相對(duì)論建立的背景，知道時(shí)間延緩，長(zhǎng)度縮短，質(zhì)速關(guān)系，質(zhì)能關(guān)系和時(shí)空彎曲。能運(yùn)用相對(duì)論知識(shí)解釋簡(jiǎn)單的現(xiàn)象。
2了解經(jīng)典物理學(xué)的局限，知道經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀之間的關(guān)系。
3初步認(rèn)識(shí)“猜想”，“假設(shè)”和“物理模型的構(gòu)建”在科學(xué)研究中的重要作用，培養(yǎng)大膽質(zhì)疑的勇氣和批判意識(shí)。
教學(xué)重點(diǎn)
了解現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。
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，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(quán)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(yuǎn)離我們所生活的低速世界，不但難以用生活經(jīng)驗(yàn)來(lái)詮釋，而且與生活經(jīng)驗(yàn)相背離，導(dǎo)致學(xué)生難以接受。
經(jīng)典物理學(xué)的概念根深蒂固，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)新理論難以理解。
高速實(shí)驗(yàn)難以演示，缺乏直觀的實(shí)驗(yàn)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(xí)基本建立經(jīng)典力學(xué)的概念體系，牛頓經(jīng)典時(shí)空觀與認(rèn)知世界的協(xié)調(diào)，以及牛頓力學(xué)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界解釋的巨大成功，使之對(duì)此深信不疑；況且教師在以往的教學(xué)中有意避開(kāi)對(duì)牛頓力學(xué)成立的先驗(yàn)條件的闡述，因此學(xué)生對(duì)此缺乏認(rèn)識(shí)，高速世界與牛頓力學(xué)的沖突又遠(yuǎn)離他們的生活經(jīng)驗(yàn)，不能構(gòu)成他們進(jìn)一步求知的動(dòng)力。
教學(xué)目的
1知識(shí)與技能
知道世紀(jì)之交的晴朗的物理學(xué)天空上的兩朵烏云，了解其主要內(nèi)容以及由此所引起的物理學(xué)理論的發(fā)展與創(chuàng)新。
認(rèn)識(shí)經(jīng)典力學(xué)的實(shí)用范圍和局限性。知道經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀之間的關(guān)系。
初步了解相對(duì)論時(shí)空觀中的基本觀點(diǎn)，了解狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。知道相對(duì)論以人類認(rèn)識(shí)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(duì)論的思維探索過(guò)程，認(rèn)識(shí)科學(xué)思維的意義，學(xué)習(xí)科
學(xué)的思維方法，從中體驗(yàn)成功的樂(lè)趣。
了解物理學(xué)的研究方法，認(rèn)識(shí)理想實(shí)驗(yàn)，物理模型和數(shù)學(xué)工具在科學(xué)研
究中的重要作用，以及物理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)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
領(lǐng)略到自然界的奇妙與和諧，發(fā)展學(xué)生對(duì)科學(xué)的好奇心與求知欲。
養(yǎng)成敢于發(fā)表自己觀點(diǎn)，既堅(jiān)持原則又尊重他人的良好習(xí)慣。培養(yǎng)有根據(jù)的懷疑精神和批判意識(shí)，敢于堅(jiān)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(shí)。
了解科學(xué)理論的相對(duì)性，知道科學(xué)理論發(fā)展過(guò)程的繼承與揚(yáng)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(shè)計(jì)及目的
1 標(biāo)題：人類的宇宙圖象
內(nèi)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(jù)（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)生感受到人類認(rèn)識(shí)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(xí)做好心理準(zhǔn)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(diào)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(chǔ)的推導(dǎo)，通過(guò)速度合成達(dá)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(yán)謹(jǐn)”的推導(dǎo)，作出重大的理論發(fā)現(xiàn)似的。以期搞暈學(xué)生，逼出認(rèn)知沖突。）
3 “引玉”
讓學(xué)生評(píng)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(duì)論的知識(shí)因而對(duì)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(dǎo)
依據(jù)司南版＜＜物理必修2＞＞本節(jié)課的時(shí)間延緩效應(yīng)示意圖，引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)
�。�1）△t=△t′／(1-v2/c2)1/2、 (2) L′=L(1-v2/c2)1/2
得出“尺慢鐘縮”的結(jié)論。這部份的推導(dǎo)對(duì)于熟練掌握運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)的學(xué)生來(lái)說(shuō)不算太難，讓他們體驗(yàn)一下理論推理的樂(lè)趣，有助于提高學(xué)生的自信，認(rèn)識(shí)科學(xué)推論的過(guò)程。
5 想象小論文
請(qǐng)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(xiàn)象。
教學(xué)流程
第一課時(shí)
1演示 標(biāo)題：人類的宇宙圖象
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(yàn)”40年如一日反復(fù)得出的結(jié)果――光速不變、以太陰魂、牛頓力學(xué)的兩個(gè)先驗(yàn)條件（絕對(duì)時(shí)空觀）。愛(ài)因斯坦通盤(pán)考慮了有關(guān)光的傳播速度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和牛頓力學(xué)、麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的根基，他得出結(jié)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(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間，在新的時(shí)間、空間概念的基礎(chǔ)上，建立全新的物理學(xué)體系――相對(duì)論。愛(ài)因斯坦的兩個(gè)基本假設(shè)（狹義相對(duì)論）、由相對(duì)論引發(fā)的兩個(gè)著名佯謬“尺縮鐘慢”
5 “尺縮鐘慢”的推導(dǎo)
6 作業(yè)：想象小論文 ，收集有關(guān)相對(duì)論的資料。
第一課時(shí)結(jié)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(duì)論原理。
2輔導(dǎo)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(jī)理想實(shí)驗(yàn)并得出加速運(yùn)動(dòng)和引力作用都導(dǎo)致了軌跡彎曲的結(jié)果。由此總結(jié)出“等效原理”； 預(yù)言光線彎曲并得到證實(shí)；將光線彎曲等效于時(shí)空彎曲來(lái)解釋引力場(chǎng)的效應(yīng)、提出廣義相對(duì)論引力場(chǎng)方程。
4模擬演示“時(shí)空彎曲的引力效應(yīng)”
5相對(duì)論的幾個(gè)預(yù)言及被證實(shí)的過(guò)程（由學(xué)生講述，教師補(bǔ)充）
6介紹愛(ài)因斯坦的生平及一生的偉大貢獻(xiàn)（由學(xué)生講述，教師補(bǔ)充）
7作業(yè)；試解釋“山中方七日，世上已千年”
對(duì)相對(duì)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(xù)編＞＞＜＜時(shí)空本性＞＞＜＜相對(duì)論演義＞＞＜＜奇異的量子世界＞＞等書(shū)
有關(guān)相對(duì)論的一此資料：
1 公元1054年發(fā)生過(guò)一起非常著名的超新星爆發(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(guó)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?cè)怼?/p>
2 激發(fā)氫原子的實(shí)驗(yàn)以及對(duì)宇宙線的研究過(guò)程都證實(shí)了時(shí)間膨脹說(shuō)。
3 廣義相對(duì)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(duì)論預(yù)言了光譜線的引力紅移，并得到證實(shí)。
5 英國(guó)的日全蝕觀測(cè)隊(duì)證實(shí)了星光在近太陽(yáng)時(shí)彎曲。
6 廣義相對(duì)論解釋了“愛(ài)因斯坦十字星座”現(xiàn)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(nèi)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(yīng)受到束縛。這里只是拋磚引玉而已。
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