2019-2020年高中物理《經典力學的局限性》教案5 新人教版必修2.doc
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2019-2020年高中物理《經典力學的局限性》教案5 新人教版必修2 一、 教學分析 1 課標要求 1）通過實例，了解經典力學的發(fā)展歷程和偉大成就，體會經典力學創(chuàng)立的價值與意義，認識經典力學的實用范圍和局限性。 2）初步了解經典時空觀和相對論時空觀，知道相對論對人類認識世界的影響。 3）初步了解微觀世界中的量子化現象，知道宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點，體會量子論的建立深化了人類對于物質世界的認識。 2 學習對象分析 1) 學生的年齡特點和認知特點 高一的學生學習興趣濃厚，他們的觀察不只停留在一些表面現象，具有更深層次的探究愿望。在思維方式上由初中形象思維為主向高中抽象思維為主過渡。 2) 學習者在學習本課之前應具備的基本知識和技能 本節(jié)主要介紹相對論時空觀和量子化現象，本節(jié)內容十分抽象，因此學習本節(jié)內容時要具有經典力學的時空觀知識和高度的概括和抽象理解能力。 3、 學習者在即將學習的內容前已經具備的水平。 學生在學習本節(jié)前聽說過相對論和量子力學，但缺乏正確地認識，而且已經學習了經典力學的基本理論和時空觀，關鍵是引導學生理解科學知識具有局限性，理解各自的成立條件。 3 教學內容分析 本節(jié)教材先介紹高速運動的物體運動時牛頓力學體系不成立，并給出了質量隨速度變化關系。接下來介紹從宏觀到微觀的變化，介紹了量子化現象。最后接紹從弱力到強力，廣義相對論的基礎。把這么多內容安排到一節(jié)重點不在對相對論和量子力學知道多少，而在于讓學生體會任何科學都有局限性，并不是牛頓力學過時了，要理解各自成立的條件。本人建議采用兩課時教學：第一節(jié)介紹相對論，第二節(jié)介紹量子想象，教材最好參照山東版《必修2》 二、 教學目標 1 知識與技能目標 1） 知道牛頓定律的適用范圍 2） 了解經典力學在科學研究生產實踐中的廣泛應用 3） 知道質量與速度的關系，知道高速運動必須考慮速度隨時間的變化 2 過程與方法目標 通過閱讀課文，體會一切科學都有自身的局限性，新的理論不斷完善和補充舊的理論，人類對科學地認識是無止境的。 3 情感態(tài)度與價值觀 1） 通過經典時空觀與相對論和量子力學的對比，培養(yǎng)學生的批判意識。 三、 學習環(huán)境設計 1、學習資源 類型 內容 來源 （1）課件（網絡課件）√ 狹義相對論引言 同時的相對性 長度的收縮 時間膨脹 （2）工具 （3）專題學習網站√ 世界物理年專題報道tech.sina.cn/d/focus/physics_xx/index.shtml （4）多媒體資源庫√ （5）案例庫 （6）題庫 （7）網絡課程 （8）其它 2、學習策略（打√） （1）輔導策略√ （2）支架策略 （3）反思策略√ （4）建模策略 3、學習情境類型（打√） （1）真實情境 （2）問題性情境 √ （3）虛擬情境 √ （4）其它 4、學習環(huán)境選擇（打√） （1）多媒體教室 （2）局域網 （3）城域網 （4）校園網√ （5）Internet√ （6）其它 學習活動組織 1、自主學習設計（打√并填寫相關內容） 類型 相應內容 （1）拋錨式√ （2）支架式 （3）隨機進入式 （4）其它 2、協作學習設計（打√并填寫相關內容） 類型 相應內容 （1）競爭 （2）伙伴 （3）協同√ （4）辯論 （5）角色扮演 （6）其它 四、 教學(學習)過程(活動)設計 在19世紀和20世紀之交，許多人陶醉于經典物理學的巨大成功之中，似乎完善的理論和技術的進步給人們這樣一種感覺：物理學這座莊嚴雄偉、動人心弦的美麗殿堂已經建成了。 1900年，英國著名物理學家開爾文躊躇滿志地宣告，在已經基本建成的科學大廈中，后輩物理學家只要做一些零碎的修補工作就行了。但是，就在這盡善盡美之中，也還是有一點小小的遺憾，用開爾文的話說，在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵小小的令人不安的烏云。 這兩朵烏云，指的就是當時物理學理論無法解釋的兩個實驗，一個是邁克爾遜一莫雷實驗，另一個是熱輻射實驗。正是這兩朵小小的烏云，不久以后釀成了物理學中一場巨大變革。 對邁克爾遜—莫雷實驗的解釋及一系列有關的工作，把人們帶人了一個以相對論為標志的高速運動世界。對熱輻射實驗的解釋及一系列有關的工作，把人們帶人了一個以量子論為標志的微觀世界。 圖6—1 以光速為標志的高速世界 與我們所熟悉的低速的宏觀世界完全不同的另一個嶄新的世界出現在我們的眼前。這嶄新世界帶來的新觀念不但引發(fā)了20世紀科技領域以及思想領域的偉大革命，而且還將持久地影響人類文明的漫長進程。 圖6—2 電子掃描顯微鏡下的原子世界 現代物理理論具有較深刻的內涵和更抽象的形式。讓我們張開想像的翅膀，一起邁人這嶄新的世界。 一 高速世界 1. 高速世界的兩個基本原理 光速是目前我們所認知的物質的最大運動速度。如果人能夠跑得像一束光那么快，他將會觀測到什么現象與規(guī)律?我們所熟悉的是自己身邊這個相對于光速而言的低速宏觀世界的種種事物和現象，所知曉或掌握的許多物理概念及定律，都是在低速宏觀的條件下得出來的。當物體以接近光速運動時，這些現象和規(guī)律是否會發(fā)生變化呢? 不懈的探索加上非凡的抽象思維能力，使愛因斯坦最終能夠撥開物理學天空令人不安的第一朵烏云，提出了著名的相對論(relativity)，成為迄今人們認知并描述高速世界的最好的理論工具。 經典物理學家曾認為，宇宙空間充滿著一種叫以太的物質，它絕對靜止、密度極小(幾乎為零)、硬度極大、完全透明并充斥于空間、滲透于一切物體。萬有引力和電磁相互作用等的傳遞、光在真空中的傳播等，都要通過以太來實現。真是如此的話，地球在以太海洋中自轉、公轉，一定會有以太風迎面撲來。因此，探索以太風的存在，確定地球和以太的相對運動，就成為19世紀后半葉物理學中的一個重要課題。 按照經典時空觀的運動合成原理，在以20m／s的速度行駛的汽車上，有人以25m／s的速度將一物體拋出，在路邊的觀察者看來，如果他向前拋，那么被拋物體的速度應為兩速度之和即45m／s；如果他向后拋，就應是兩速度之差即5m／s(圖6-3)。同樣道理，若光相對于以太的速度為c，當地球以一定的速度v相對于以太運動時，靜止在地球上的人觀測到該光的速度為c′，那么此人測得向他迎面而來的光速為c′=c+v；而與他同方向傳播的該光的速度為c′=c—v。如果能通過實驗測量到這種差別，那就證明了以太的存在。 圖6—3經典時空觀的運動合成 1887年，物理學家邁克爾遜和莫雷用自己發(fā)明的儀器進行了精密的光的干涉實驗，卻始終得不到與上述推論相吻合的觀測結果，這使一些物理學家感到震驚和迷惘。由于堅持經典時空觀及衍生出的荒誕的以太論，許多人在此基礎上進行的一系列修修補補的工作，提出的一些牽強的解說等，都不能從根本 上解決問題。 愛因斯坦通過對電磁理論的深入研究，意識到難以理解邁克爾遜一莫雷實驗的困境是由于時空觀的錯誤造成的。于是，愛因斯坦徹底拋棄了“以太”的概念，于1905年提出了兩個基本假設： (1)相對性原理(principle of relativity)：物理規(guī)律在一切慣性參照系中都具有相同的形式。 (2)光速不變原理(principle of constancy of lightspeed)：在一切慣性參照系中，測量到的真空中的光速c都一樣。 相對性原理表明，在某個慣性系中，描述某個物理系統的某個物理過程的物理定律，在其他一切慣性系中對該系統該過程做出描述的物理定律皆保持形式不變。例如，在勻速飛行的飛機上觀測，上拋小球的運動遵循動能定理，那么在地面上(或在其他慣性系中)觀測，上拋小球的運動仍遵循同樣形式的動能定理(圖6-4)。 圖6—4相對性原理示意圖 光速不變原理表明，在一切慣性系中觀測在真空中傳播的同一束光，不論沿任何方向其速度大小都為c，與光源或觀察者的運動無關。這一結論實際上已被大量的實驗(包括邁克爾遜實驗)所證實。如圖6-5所示，假設在真空環(huán)境中，靜止在勻速運行列車中的觀測者與靜立于地面的觀測者，測得手電發(fā)出 的光波的速度大小都是c。 基于這兩條基本原理，愛因斯坦建立了狹義相對論(specialtheory of relativity)，把物理學推進到高速領域。 圖6—5光速不變原理示意圖 2．四維時空 時空是對物質存在及運動的描述。時間，描述物質運動的持續(xù)性；空間，描述物質存在的廣延性。物質具有線分布、面分布、體分布，取三維空間基本能夠滿足描述物質廣延性的需要。 經典時空觀認為，時間和空間是相互獨立的，并且與物質的存在與運動無關。相對論時空觀認為，時間和空間是相互聯系、相互影響的，并且與物質的存在及運動密切相關。在相對論里，空間三維，再加上時間一維，構成了統為一體的四維時空(four-dimensionalspace-time)。四維時空的一點被稱為一個事件。例如，在北京時間15時15分，一架飛機飛行在東經56，北緯48，距海平面20km的地方，這就是一個四維時空的事件。再如，一個質點連續(xù)運動了一段時間，這一物理過程可用四維時空的一段曲線描述。 相對論向人們展示了更為科學的時空觀。這個新穎的時空理論，揭示了時間、空間與物質存在及運動之間的緊密聯系，使人們對時空本質有了更為正確的認識。 3．時間延緩效應 牛頓曾經說過：絕對的、真正的和數學的時間自身在流逝著，而且由于其本性在均勻地、與任何外界事物無關地流逝著。我們每一個人都永遠陷在時間之中，沒有辦法能使我們跳出來，在一段距離之外來看它的真面目。因此，我們對時間的直觀感覺很可能是錯誤的。 愛因斯坦從相對論的兩個基本原理出發(fā)，設計了這樣一個理想實驗[圖6—6(a)]。假定列車以勻速v運動。靜止在車廂里的人手持一個光源，從車廂的地板豎直向上將一束光射向頂部的一面反射鏡。設車廂的高度為d，則光束在真空中來回往返的過程中，車上的鐘走過的時間是 △t′= ① 圖6—6 時間延緩效應示意圖 而在靜止在地面上的觀察者看來，由于列車在行駛，光線走鋸齒形路徑。地面上該觀察者測得該過程經歷的時間是[圖6-6(b)、(c)] 因為d垂直于運動方向，所以在兩個隕性參照系中的車廂高度一樣。 由②式可得 移項，整理后得 將①式代人③式后兩邊開方，得 由于v是列車的速度，且v
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