《高速世界》的教案

　　第一节 高速世界

　　教学要求

　　1初步了解爱因斯坦相对论建立的背景，知道时间延缓，长度缩短，质速关系，质能关系和时空弯曲。能运用相对论知识解释简单的现象。

　　2了解经典物理学的局限，知道经典时空观与相对论时空观之间的关系。

　　3初步认识“猜想”，“假设”和“物理模型的构建”在科学研究中的重要作用，培养大胆质疑的勇气和批判意识。

　　教学重点

　　了解现代物理学的基础知识。

　　通过物理学史的教育帮助学生建立辩证唯物主义的时空观，同时让学生体会到：科学的发展永无止境；在科学研究中要敢于质疑，不迷信权威，选择科学的研究方法巧妙地解决问题。

　　教学难点

　　高速世界远离我们所生活的低速世界，不但难以用生活经验来诠释，而且与生活经验相背离，导致学生难以接受。

　　经典物理学的概念根深蒂固，导致学生对新理论难以理解。

　　高速实验难以演示，缺乏直观的实验和形象生动的实例使学生难以想象。

　　学情分析

　　学生已通过一年的物理学习基本建立经典力学的概念体系，牛顿经典时空观与认知世界的协调，以及牛顿力学对现实世界解释的巨大成功，使之对此深信不疑；况且教师在以往的教学中有意避开对牛顿力学成立的先验条件的阐述，因此学生对此缺乏认识，高速世界与牛顿力学的冲突又远离他们的生活经验，不能构成他们进一步求知的动力。

　　教学目的

　　1知识与技能

　　知道世纪之交的晴朗的物理学天空上的两朵乌云，了解其主要内容以及由此所引起的物理学理论的发展与创新。

　　认识经典力学的实用范围和局限性。知道经典时空观与相对论时空观之间的关系。

　　初步了解相对论时空观中的基本观点，了解狭义相对论和广义相对论。知道相对论以人类认识高速世界的影响。

　　2过程与方法

　　经历科学家建立相对论的思维探索过程，认识科学思维的意义，学习科

　　学的思维方法，从中体验成功的乐趣。

　　了解物理学的研究方法，认识理想实验，物理模型和数学工具在科学研

　　究中的重要作用，以及物理验证实验在物理学发展过程中的作用。

　　3情感态度与价值观

　　领略到自然界的奇妙与和谐，发展学生对科学的好奇心与求知欲。

　　养成敢于发表自己观点，既坚持原则又尊重他人的良好习惯。培养有根据的怀疑精神和批判意识，敢于坚持真理，勇于创新和实事求是的科学态度和科学精神以及判断大众传媒等有关信息是否科学的意识。

　　了解科学理论的相对性，知道科学理论发展过程的继承与扬弃。

　　体会科学，技术与社会之间的互动关系。

　　几点教学设计及目的

　　1 标题：人类的宇宙图象

　　内容： 屈原＜＜天问＞＞ 、天似穹庐，笼盖四野（天圆地方）、亚里士多德＜＜论天＞＞中提到的.地圆说及三个证据（月食，北极星的位置，先见船帆）、托勒密模型（地静中心圆周说）、哥白尼太阳静止中心圆周说、开普勒椭圆说、牛顿的无中心说……（有条件可采用FLASH作成动画，或用PPT也成）

　　目的：让学生感受到人类认识自然过程的曲折性，每一个先进的理论往往都有他的时代的局限性，虽然它最终都被修正却无损于它的伟大。为接下来的学习做好心理准备。

　　2 “抛砖”

　　剪辑一小段有关“时间旅行”或“星际旅行”的科幻影视片断做成播放，调动学生兴趣，然后教师提出一个以经典力学为基础的推导，通过速度合成达到超光速以进行时间或星际旅行的理论（此时教师最好是故作神秘，似乎通过“严谨”的推导，作出重大的理论发现似的。以期搞晕学生，逼出认知冲突。）

　　3 “引玉”

　　让学生评价“速度合成超光速”的可能性，这时学生中必然有人阅读过有关相对论的知识因而对此提出异议，此时可让他们发言，互相反驳、质疑，形成一种热烈的求知氛围。

　　4 “尺缩钟慢”的推导

　　依据司南版＜＜物理必修2＞＞本节课的时间延缓效应示意图，引导学生推导

　　（1）△t=△t′／(1-v2/c2)1/2、 (2) L′=L(1-v2/c2)1/2

　　得出“尺慢钟缩”的结论。这部份的推导对于熟练掌握运动学知识的学生来说不算太难，让他们体验一下理论推理的乐趣，有助于提高学生的自信，认识科学推论的过程。

　　5 想象小论文

　　请发挥一下你的想象力，想象一下你在一个最高速度只有20公里的世界中旅行将会碰到什么有趣的事。

　　6模拟演示

　　用编织网袋或有弹性的布料做一个平面，再取两个小钢球放在平面上，模拟演示质量使时空发生弯曲的现象。

　　教学流程

　　第一课时

　　1演示 标题：人类的宇宙图象

　　2“抛砖”

　　3“引玉”

　　4教师讲述物理学史；

　　物理学大厦上空的两朵乌云、“迈克尔逊－莫雷实验”40年如一日反复得出的结果――光速不变、以太阴魂、牛顿力学的两个先验条件（绝对时空观）。爱因斯坦通盘考虑了有关光的传播速度的实验结果和牛顿力学、麦克斯韦电磁场理论的根基，他得出结论，唯一的出路是革命，从根本上改造经典物理学，抛弃以太，抛弃绝对时间和绝对空间，在新的时间、空间概念的基础上，建立全新的物理学体系――相对论。爱因斯坦的两个基本假设（狭义相对论）、由相对论引发的两个著名佯谬“尺缩钟慢”

　　5 “尺缩钟慢”的推导

　　6 作业：想象小论文 ，收集有关相对论的资料。

　　第一课时结束。

　　第二课时

　　1学生朗诵＜＜想象小论文＞＞，讨论是否符合相对论原理。

　　2辅导自学“质速关系”“质能关系”

　　3讲解爱因斯坦升降机理想实验并得出加速运动和引力作用都导致了轨迹弯曲的结果。由此总结出“等效原理”； 预言光线弯曲并得到证实；将光线弯曲等效于时空弯曲来解释引力场的效应、提出广义相对论引力场方程。

　　4模拟演示“时空弯曲的引力效应”

　　5相对论的几个预言及被证实的过程（由学生讲述，教师补充）

　　6介绍爱因斯坦的生平及一生的伟大贡献（由学生讲述，教师补充）

　　7作业；试解释“山中方七日，世上已千年”

　　对相对论有兴趣的同学可课外阅读＜＜时间简史＞＞＜＜时间简史续编＞＞＜＜时空本性＞＞＜＜相对论演义＞＞＜＜奇异的量子世界＞＞等书

　　有关相对论的一此资料：

　　1 公元1054年发生过一起非常著名的超新星爆发事件，若光速能叠加则在几十年后都能看到这颗超新星爆发时所发出的光，而实际情况却像我国宋史上所记载的那样“岁余稍没”，此事间接证明了光速不变原理。

　　2 激发氢原子的实验以及对宇宙线的研究过程都证实了时间膨胀说。

　　3 广义相对论解释了水星近日点的进动问题，证明它是于实践的科学理论。

　　4 广义相对论预言了光谱线的引力红移，并得到证实。

　　5 英国的日全蚀观测队证实了星光在近太阳时弯曲。

　　6 广义相对论解释了“爱因斯坦十字星座”现象

　　本文只是给出一个授课过程的框架性建议，以及一此参考资料，本课内容多，处理也灵活，相信每个教师都有自己的特点及学情，不应受到束缚。这里只是抛砖引玉而已。