2019-2020年高中物理《經(jīng)典力學(xué)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(jīng)典力學(xué)的局限性》教案5 新人教版必修2 一、 教學(xué)分析 1 課標(biāo)要求 1）通過(guò)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)的實(shí)用范圍和局限性。 2）初步了解經(jīng)典時(shí)空觀和相對(duì)論時(shí)空觀，知道相對(duì)論對(duì)人類認(rèn)識(shí)世界的影響。 3）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(duì)于物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。 2 學(xué)習(xí)對(duì)象分析 1) 學(xué)生的年齡特點(diǎn)和認(rèn)知特點(diǎn) 高一的學(xué)生學(xué)習(xí)興趣濃厚，他們的觀察不只停留在一些表面現(xiàn)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(guò)渡。 2) 學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)本課之前應(yīng)具備的基本知識(shí)和技能 本節(jié)主要介紹相對(duì)論時(shí)空觀和量子化現(xiàn)象，本節(jié)內(nèi)容十分抽象，因此學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容時(shí)要具有經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀知識(shí)和高度的概括和抽象理解能力。 3、 學(xué)習(xí)者在即將學(xué)習(xí)的內(nèi)容前已經(jīng)具備的水平。 學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)前聽(tīng)說(shuō)過(guò)相對(duì)論和量子力學(xué)，但缺乏正確地認(rèn)識(shí)，而且已經(jīng)學(xué)習(xí)了經(jīng)典力學(xué)的基本理論和時(shí)空觀，關(guān)鍵是引導(dǎo)學(xué)生理解科學(xué)知識(shí)具有局限性，理解各自的成立條件。 3 教學(xué)內(nèi)容分析 本節(jié)教材先介紹高速運(yùn)動(dòng)的物體運(yùn)動(dòng)時(shí)牛頓力學(xué)體系不成立，并給出了質(zhì)量隨速度變化關(guān)系。接下來(lái)介紹從宏觀到微觀的變化，介紹了量子化現(xiàn)象。最后接紹從弱力到強(qiáng)力，廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)。把這么多內(nèi)容安排到一節(jié)重點(diǎn)不在對(duì)相對(duì)論和量子力學(xué)知道多少，而在于讓學(xué)生體會(huì)任何科學(xué)都有局限性，并不是牛頓力學(xué)過(guò)時(shí)了，要理解各自成立的條件。本人建議采用兩課時(shí)教學(xué)：第一節(jié)介紹相對(duì)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(xué)目標(biāo) 1 知識(shí)與技能目標(biāo) 1） 知道牛頓定律的適用范圍 2） 了解經(jīng)典力學(xué)在科學(xué)研究生產(chǎn)實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用 3） 知道質(zhì)量與速度的關(guān)系，知道高速運(yùn)動(dòng)必須考慮速度隨時(shí)間的變化 2 過(guò)程與方法目標(biāo) 通過(guò)閱讀課文，體會(huì)一切科學(xué)都有自身的局限性，新的理論不斷完善和補(bǔ)充舊的理論，人類對(duì)科學(xué)地認(rèn)識(shí)是無(wú)止境的。 3 情感態(tài)度與價(jià)值觀 1） 通過(guò)經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論和量子力學(xué)的對(duì)比，培養(yǎng)學(xué)生的批判意識(shí)。 三、 學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì) 1、學(xué)習(xí)資源 類型 內(nèi)容 來(lái)源 （1）課件（網(wǎng)絡(luò)課件）√ 狹義相對(duì)論引言 同時(shí)的相對(duì)性 長(zhǎng)度的收縮 時(shí)間膨脹 （2）工具 （3）專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站√ 世界物理年專題報(bào)道tech.sina.cn/d/focus/physics_xx/index.shtml （4）多媒體資源庫(kù)√ （5）案例庫(kù) （6）題庫(kù) （7）網(wǎng)絡(luò)課程 （8）其它 2、學(xué)習(xí)策略（打√） （1）輔導(dǎo)策略√ （2）支架策略 （3）反思策略√ （4）建模策略 3、學(xué)習(xí)情境類型（打√） （1）真實(shí)情境 （2）問(wèn)題性情境 √ （3）虛擬情境 √ （4）其它 4、學(xué)習(xí)環(huán)境選擇（打√） （1）多媒體教室 （2）局域網(wǎng) （3）城域網(wǎng) （4）校園網(wǎng)√ （5）Internet√ （6）其它 學(xué)習(xí)活動(dòng)組織 1、自主學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)（打√并填寫相關(guān)內(nèi)容） 類型 相應(yīng)內(nèi)容 （1）拋錨式√ （2）支架式 （3）隨機(jī)進(jìn)入式 （4）其它 2、協(xié)作學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)（打√并填寫相關(guān)內(nèi)容） 類型 相應(yīng)內(nèi)容 （1）競(jìng)爭(zhēng) （2）伙伴 （3）協(xié)同√ （4）辯論 （5）角色扮演 （6）其它 四、 教學(xué)(學(xué)習(xí))過(guò)程(活動(dòng))設(shè)計(jì) 在19世紀(jì)和20世紀(jì)之交，許多人陶醉于經(jīng)典物理學(xué)的巨大成功之中，似乎完善的理論和技術(shù)的進(jìn)步給人們這樣一種感覺(jué)：物理學(xué)這座莊嚴(yán)雄偉、動(dòng)人心弦的美麗殿堂已經(jīng)建成了。 1900年，英國(guó)著名物理學(xué)家開爾文躊躇滿志地宣告，在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中，后輩物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了。但是，就在這盡善盡美之中，也還是有一點(diǎn)小小的遺憾，用開爾文的話說(shuō)，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)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(dāng)時(shí)物理學(xué)理論無(wú)法解釋的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，一個(gè)是邁克爾遜一莫雷實(shí)驗(yàn)，另一個(gè)是熱輻射實(shí)驗(yàn)。正是這兩朵小小的烏云，不久以后釀成了物理學(xué)中一場(chǎng)巨大變革。 對(duì)邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)的解釋及一系列有關(guān)的工作，把人們帶人了一個(gè)以相對(duì)論為標(biāo)志的高速運(yùn)動(dòng)世界。對(duì)熱輻射實(shí)驗(yàn)的解釋及一系列有關(guān)的工作，把人們帶人了一個(gè)以量子論為標(biāo)志的微觀世界。 圖6—1 以光速為標(biāo)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(gè)嶄新的世界出現(xiàn)在我們的眼前。這嶄新世界帶來(lái)的新觀念不但引發(fā)了20世紀(jì)科技領(lǐng)域以及思想領(lǐng)域的偉大革命，而且還將持久地影響人類文明的漫長(zhǎng)進(jìn)程。 圖6—2 電子掃描顯微鏡下的原子世界 現(xiàn)代物理理論具有較深刻的內(nèi)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(gè)基本原理 光速是目前我們所認(rèn)知的物質(zhì)的最大運(yùn)動(dòng)速度。如果人能夠跑得像一束光那么快，他將會(huì)觀測(cè)到什么現(xiàn)象與規(guī)律?我們所熟悉的是自己身邊這個(gè)相對(duì)于光速而言的低速宏觀世界的種種事物和現(xiàn)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(lái)的。當(dāng)物體以接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些現(xiàn)象和規(guī)律是否會(huì)發(fā)生變化呢? 不懈的探索加上非凡的抽象思維能力，使愛(ài)因斯坦最終能夠撥開物理學(xué)天空令人不安的第一朵烏云，提出了著名的相對(duì)論(relativity)，成為迄今人們認(rèn)知并描述高速世界的最好的理論工具。 經(jīng)典物理學(xué)家曾認(rèn)為，宇宙空間充滿著一種叫以太的物質(zhì)，它絕對(duì)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(wàn)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(guò)以太來(lái)實(shí)現(xiàn)。真是如此的話，地球在以太海洋中自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)，一定會(huì)有以太風(fēng)迎面撲來(lái)。因此，探索以太風(fēng)的存在，確定地球和以太的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就成為19世紀(jì)后半葉物理學(xué)中的一個(gè)重要課題。 按照經(jīng)典時(shí)空觀的運(yùn)動(dòng)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(lái)，如果他向前拋，那么被拋物體的速度應(yīng)為兩速度之和即45m／s；如果他向后拋，就應(yīng)是兩速度之差即5m／s(圖6-3)。同樣道理，若光相對(duì)于以太的速度為c，當(dāng)?shù)厍蛞砸欢ǖ乃俣葀相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)時(shí)，靜止在地球上的人觀測(cè)到該光的速度為c′，那么此人測(cè)得向他迎面而來(lái)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(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量到這種差別，那就證明了以太的存在。 圖6—3經(jīng)典時(shí)空觀的運(yùn)動(dòng)合成 1887年，物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷用自己發(fā)明的儀器進(jìn)行了精密的光的干涉實(shí)驗(yàn)，卻始終得不到與上述推論相吻合的觀測(cè)結(jié)果，這使一些物理學(xué)家感到震驚和迷惘。由于堅(jiān)持經(jīng)典時(shí)空觀及衍生出的荒誕的以太論，許多人在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的一系列修修補(bǔ)補(bǔ)的工作，提出的一些牽強(qiáng)的解說(shuō)等，都不能從根本 上解決問(wèn)題。 愛(ài)因斯坦通過(guò)對(duì)電磁理論的深入研究，意識(shí)到難以理解邁克爾遜一莫雷實(shí)驗(yàn)的困境是由于時(shí)空觀的錯(cuò)誤造成的。于是，愛(ài)因斯坦徹底拋棄了“以太”的概念，于1905年提出了兩個(gè)基本假設(shè)： (1)相對(duì)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?cè)?principle of constancy of lightspeed)：在一切慣性參照系中，測(cè)量到的真空中的光速c都一樣。 相對(duì)性原理表明，在某個(gè)慣性系中，描述某個(gè)物理系統(tǒng)的某個(gè)物理過(guò)程的物理定律，在其他一切慣性系中對(duì)該系統(tǒng)該過(guò)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(jī)上觀測(cè)，上拋小球的運(yùn)動(dòng)遵循動(dòng)能定理，那么在地面上(或在其他慣性系中)觀測(cè)，上拋小球的運(yùn)動(dòng)仍遵循同樣形式的動(dòng)能定理(圖6-4)。 圖6—4相對(duì)性原理示意圖 光速不變?cè)肀砻?，在一切慣性系中觀測(cè)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(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。這一結(jié)論實(shí)際上已被大量的實(shí)驗(yàn)(包括邁克爾遜實(shí)驗(yàn))所證實(shí)。如圖6-5所示，假設(shè)在真空環(huán)境中，靜止在勻速運(yùn)行列車中的觀測(cè)者與靜立于地面的觀測(cè)者，測(cè)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(ài)因斯坦建立了狹義相對(duì)論(specialtheory of relativity)，把物理學(xué)推進(jìn)到高速領(lǐng)域。 圖6—5光速不變?cè)硎疽鈭D 2．四維時(shí)空 時(shí)空是對(duì)物質(zhì)存在及運(yùn)動(dòng)的描述。時(shí)間，描述物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的持續(xù)性；空間，描述物質(zhì)存在的廣延性。物質(zhì)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(zhì)廣延性的需要。 經(jīng)典時(shí)空觀認(rèn)為，時(shí)間和空間是相互獨(dú)立的，并且與物質(zhì)的存在與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。相對(duì)論時(shí)空觀認(rèn)為，時(shí)間和空間是相互聯(lián)系、相互影響的，并且與物質(zhì)的存在及運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。在相對(duì)論里，空間三維，再加上時(shí)間一維，構(gòu)成了統(tǒng)為一體的四維時(shí)空(four-dimensionalspace-time)。四維時(shí)空的一點(diǎn)被稱為一個(gè)事件。例如，在北京時(shí)間15時(shí)15分，一架飛機(jī)飛行在東經(jīng)56，北緯48，距海平面20km的地方，這就是一個(gè)四維時(shí)空的事件。再如，一個(gè)質(zhì)點(diǎn)連續(xù)運(yùn)動(dòng)了一段時(shí)間，這一物理過(guò)程可用四維時(shí)空的一段曲線描述。 相對(duì)論向人們展示了更為科學(xué)的時(shí)空觀。這個(gè)新穎的時(shí)空理論，揭示了時(shí)間、空間與物質(zhì)存在及運(yùn)動(dòng)之間的緊密聯(lián)系，使人們對(duì)時(shí)空本質(zhì)有了更為正確的認(rèn)識(shí)。 3．時(shí)間延緩效應(yīng) 牛頓曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：絕對(duì)的、真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)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(wú)關(guān)地流逝著。我們每一個(gè)人都永遠(yuǎn)陷在時(shí)間之中，沒(méi)有辦法能使我們跳出來(lái)，在一段距離之外來(lái)看它的真面目。因此，我們對(duì)時(shí)間的直觀感覺(jué)很可能是錯(cuò)誤的。 愛(ài)因斯坦從相對(duì)論的兩個(gè)基本原理出發(fā)，設(shè)計(jì)了這樣一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)[圖6—6(a)]。假定列車以勻速v運(yùn)動(dòng)。靜止在車廂里的人手持一個(gè)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(shè)車廂的高度為d，則光束在真空中來(lái)回往返的過(guò)程中，車上的鐘走過(guò)的時(shí)間是 △t′= ① 圖6—6 時(shí)間延緩效應(yīng)示意圖 而在靜止在地面上的觀察者看來(lái)，由于列車在行駛，光線走鋸齒形路徑。地面上該觀察者測(cè)得該過(guò)程經(jīng)歷的時(shí)間是[圖6-6(b)、(c)] 因?yàn)閐垂直于運(yùn)動(dòng)方向，所以在兩個(gè)隕性參照系中的車廂高度一樣。 由②式可得 移項(xiàng)，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下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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