《高速世界》的教案

第一節 高速世界

教學要求

1初步瞭解愛因斯坦相對論建立的背景，知道時間延緩，長度縮短，質速關係，質能關係和時空彎曲。能運用相對論知識解釋簡單的現象。

2瞭解經典物理學的侷限，知道經典時空觀與相對論時空觀之間的關係。

3初步認識“猜想”，“假設”和“物理模型的構建”在科學研究中的重要作用，培養大膽質疑的勇氣和批判意識。

教學重點

瞭解現代物理學的基礎知識。

透過物理學史的教育幫助學生建立辯證唯物主義的時空觀，同時讓學生體會到：科學的發展永無止境；在科學研究中要敢於質疑，不迷信權威，選擇科學的研究方法巧妙地解決問題。

教學難點

高速世界遠離我們所生活的低速世界，不但難以用生活經驗來詮釋，而且與生活經驗相背離，導致學生難以接受。

經典物理學的概念根深蒂固，導致學生對新理論難以理解。

高速實驗難以演示，缺乏直觀的實驗和形象生動的實例使學生難以想象。

學情分析

學生已透過一年的物理學習基本建立經典力學的概念體系，牛頓經典時空觀與認知世界的協調，以及牛頓力學對現實世界解釋的巨大成功，使之對此深信不疑；況且教師在以往的教學中有意避開對牛頓力學成立的先驗條件的闡述，因此學生對此缺乏認識，高速世界與牛頓力學的衝突又遠離他們的生活經驗，不能構成他們進一步求知的動力。

教學目的

1知識與技能

知道世紀之交的晴朗的物理學天空上的'兩朵烏雲，瞭解其主要內容以及由此所引起的物理學理論的發展與創新。

認識經典力學的實用範圍和侷限性。知道經典時空觀與相對論時空觀之間的關係。

初步瞭解相對論時空觀中的基本觀點，瞭解狹義相對論和廣義相對論。知道相對論以人類認識高速世界的影響。

2過程與方法

經歷科學家建立相對論的思維探索過程，認識科學思維的意義，學習科

學的思維方法，從中體驗成功的樂趣。

瞭解物理學的研究方法，認識理想實驗，物理模型和數學工具在科學研

究中的重要作用，以及物理驗證實驗在物理學發展過程中的作用。

3情感態度與價值觀

領略到自然界的奇妙與和諧，發展學生對科學的好奇心與求知慾。

養成敢於發表自己觀點，既堅持原則又尊重他人的良好習慣。培養有根據的懷疑精神和批判意識，敢於堅持真理，勇於創新和實事求是的科學態度和科學精神以及判斷大衆傳媒等有關資訊是否科學的意識。

瞭解科學理論的相對性，知道科學理論發展過程的繼承與揚棄。

體會科學，技術與社會之間的互動關係。

幾點教學設計及目的

1 標題：人類的宇宙圖象

內容： 屈原＜＜天問＞＞ 、天似穹廬，籠蓋四野（天圓地方）、亞里士多德＜＜論天＞＞中提到的地圓說及三個證據（月食，北極星的位置，先見船帆）、托勒密模型（地靜中心圓周說）、哥白尼太陽靜止中心圓周說、開普勒橢圓說、牛頓的無中心說……（有條件可採用FLASH作成動畫，或用PPT也成）

目的：讓學生感受到人類認識自然過程的曲折性，每一個先進的理論往往都有他的時代的侷限性，雖然它最終都被修正卻無損於它的偉大。爲接下來的學習做好心理準備。

2 “拋磚”

剪輯一小段有關“時間旅行”或“星際旅行”的科幻影視片斷做成播放，調動學生興趣，然後教師提出一個以經典力學爲基礎的推導，透過速度合成達到超光速以進行時間或星際旅行的理論（此時教師最好是故作神祕，似乎透過“嚴謹”的推導，作出重大的理論發現似的。以期搞暈學生，逼出認知衝突。）

3 “引玉”

讓學生評價“速度合成超光速”的可能性，這時學生中必然有人閱讀過有關相對論的知識因而對此提出異議，此時可讓他們發言，互相反駁、質疑，形成一種熱烈的求知氛圍。

4 “尺縮鐘慢”的推導

依據司南版＜＜物理必修2＞＞本節課的時間延緩效應示意圖，引導學生推導

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

得出“尺慢鍾縮”的結論。這部份的推導對於熟練掌握運動學知識的學生來說不算太難，讓他們體驗一下理論推理的樂趣，有助於提高學生的自信，認識科學推論的過程。

5 想象小論文

請發揮一下你的想象力，想象一下你在一個最高速度只有20公里的世界中旅行將會碰到什麼有趣的事。

6模擬演示

用編織網袋或有彈性的布料做一個平面，再取兩個小鋼球放在平面上，模擬演示質量使時空發生彎曲的現象。

教學流程

第一課時

1演示 標題：人類的宇宙圖象

2“拋磚”

3“引玉”

4教師講述物理學史；

物理學大廈上空的兩朵烏雲、“邁克爾遜－莫雷實驗”40年如一日反覆得出的結果――光速不變、以太陰魂、牛頓力學的兩個先驗條件（絕對時空觀）。愛因斯坦通盤考慮了有關光的傳播速度的實驗結果和牛頓力學、麥克斯韋電磁場理論的根基，他得出結論，唯一的出路是革命，從根本上改造經典物理學，拋棄以太，拋棄絕對時間和絕對空間，在新的時間、空間概念的基礎上，建立全新的物理學體系――相對論。愛因斯坦的兩個基本假設（狹義相對論）、由相對論引發的兩個著名佯謬“尺縮鐘慢”

5 “尺縮鐘慢”的推導

6 作業：想象小論文 ，收集有關相對論的資料。

第一課時結束。

第二課時

1學生朗誦＜＜想象小論文＞＞，討論是否符合相對論原理。

2輔導自學“質速關係”“質能關係”

3講解愛因斯坦升降機理想實驗並得出加速運動和引力作用都導致了軌跡彎曲的結果。由此總結出“等效原理”； 預言光線彎曲並得到證實；將光線彎曲等效於時空彎曲來解釋引力場的效應、提出廣義相對論引力場方程。

4模擬演示“時空彎曲的引力效應”

5相對論的幾個預言及被證實的過程（由學生講述，教師補充）

6介紹愛因斯坦的生平及一生的偉大貢獻（由學生講述，教師補充）

7作業；試解釋“山中方七日，世上已千年”

對相對論有興趣的同學可課外閱讀＜＜時間簡史＞＞＜＜時間簡史續編＞＞＜＜時空本性＞＞＜＜相對論演義＞＞＜＜奇異的量子世界＞＞等書

有關相對論的一此資料：

1 公元1054年發生過一起非常著名的超新星爆發事件，若光速能疊加則在幾十年後都能看到這顆超新星爆發時所發出的光，而實際情況卻像我國宋史上所記載的那樣“歲餘稍沒”，此事間接證明了光速不變原理。

2 激發氫原子的實驗以及對宇宙線的研究過程都證實了時間膨脹說。

3 廣義相對論解釋了水星近日點的進動問題，證明它是於實踐的科學理論。

4 廣義相對論預言了光譜線的引力紅移，並得到證實。

5 英國的日全蝕觀測隊證實了星光在近太陽時彎曲。

6 廣義相對論解釋了“愛因斯坦十字星座”現象

本文只是給出一個授課過程的框架性建議，以及一此參考資料，本課內容多，處理也靈活，相信每個教師都有自己的特點及學情，不應受到束縛。這裏只是拋磚引玉而已。