“教學評“教學評”一體化教學設計課題人教版高中物理·必修·第二冊第七章第5節相對論時空觀與牛頓力學的局限性課型新授課?復習課□試卷講評課□其他課□授課班級授課時間教學內容分析課標要求：（1）通過閱讀課文體會一切科學都有自己的局限性,新的理論會不斷完善和補充舊的理論,人類對科學的認識是無止境的.（2）通過對牛頓力學適用范圍的討論,使學生知道物理中的結論和規律一般都有其適用范圍,認識知識的變化性和無窮性,培養獻身于科學的時代精神。教材分析：牛頓運動定律和萬有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊領域,包括天體力學的研究中,經受了實踐的檢驗,取得了巨大的成就.但是,像一切科學一樣,牛頓力學也有自己的局限性.當物體的運動速度遠小于真空中的光速時,牛頓力學完全適用.20世紀初,著名物理學家愛因斯坦建立了狹義相對論.狹義相對論闡述物體在以接近光的速度運動時所遵從的規律,它得出了一些不同于牛頓力學的觀念和結論.牛頓力學不適用于高速運動問題,并且牛頓力學對微觀粒子的運動也束手無策.量子力學能夠正確描述微觀粒子運動的規律性,并在現代科技中發揮了重要作用.牛頓力學的適用范圍:低速、宏觀物體的運動;量子力學的研究對象:高速、微觀物體的運動。學情分析知識儲備：本節主要學習相對論時空觀與牛頓力學的成就與局限性.這兩個方面的具體內容都不要求學生掌握,但是學過本節之后,學生會知道盡管前面已經體會到了萬有引力的輝煌成就,但它沒有窮盡一切真理,在新的領域還有新的規律等待我們去發現.能力基礎：從相對論時空觀中,教材提到牛頓力學的相對運動問題,學生已經掌握了牛頓運動定律的相關知識，可以在此基礎上深入講解.思維能力：“科學漫步”中的“宇宙的起源與演化”和“恒星的演化”是為了激勵學生對未來的探索,它的目的同樣在于情感態度與價值觀的教育功能。進一步拓展學生的思維能力。核心素養物理觀念：了解相對論-量子論的建立對人類深入認識客觀世界的作用，知道物理學改變人們世界觀的作用。科學思維：經歷科學家建立相對論和量子論的思維探索過程，認識科學思維的意義。科學探究：通過閱讀課文體會一切科學都有自己的局限性，新的理論會不斷完善和補充舊的理論，人類對科學的認識是無止境的。科學態度與責任：通過對牛頓力學適用范圍的討論，使學生知道物理中的結論和規律一般都有其適用范圍，認識知識的變化性和無窮性，培養獻身于科學的時代精神。教學準備PPT課件活動設計教學內容教師活動學生活動評價任務活動一：導入新課（一）檢測導學案完成情況1.檢查導學案2.小組討論導學案復習內容。（1）查看學生導學案完成情況；（2）必要時選講導學案上學生易錯的內容進行講解。（1）小組長反饋導學案完成情況（2）組員合作完成導學案相應內容。（1）對導學案完成小組評分；（2）表揚完成優秀的同學；（3）鼓勵學生努力學習。（二）展示學習目標1．知道以牛頓運動定律為基礎的經典力學的適用范圍。2．知道相對論、量子力學和經典力學的關系。3．通過對牛頓力學適用范圍的討論，知道物理中的結論和規律一般都有其適用范圍，認識知識的變化性和無窮性。讓學生明確學習目標，做到有的放矢；課后根據目標，學生自我評價得失情況。（三）創設情境,引發思考,導入新課新課引入經典力學的基礎是牛頓運動定律，萬有引力定律更是樹立了人們對牛頓物理學的尊敬。引導學生思考，通過前面的學習，我們知道從天體的運動到地面上的各種物體的運動，從大氣的流動到地殼的變動，所有這些都服從經典力學規律。那么，是不是任何情境下都遵從經典力學的規律呢？學生回顧已學知識并思考1、通過問題引發學生的思考從而引起學生學習的興趣，根據學生學習的興趣情況進行評價活動二：新課教學（一）牛頓力學時空觀牛頓力學時空觀時間與空間都是獨立于物體及其運動而存在的。這種絕對時空觀，也叫牛頓力學時空觀。在牛頓力學時空觀里，時間像一條看不見的“長河”，均勻地自行流逝著，空間像一個廣闊無邊的房間，它們都不影響物體及其運動。所以不管選什么參考系，不管物體怎么運動，物體的時間、長度、質量等等的測量結果肯定是一樣的。引導學生思考下面的問題思考1：若河中的水以相對于岸的速度v水岸流動，河中的船以相對于水的速度v船水順流而下，則船相對于岸的速度v船岸如何表示？思考2：設想人類可以利用飛船以0.2c的速度進行星際航行。若飛船向正前方的某一星球發射一束激光，該星球上的觀察者測量到的激光的速度是否為1.2c？出示圖片：飛船向正前方的某一星球發射一束激光1、閱讀課文了解牛頓力學時空觀2、回答老師提出的問題v船岸＝v船水＋v水岸學生思考回答問題的答案似乎應為1.2c，然而，事實并非如此！因為經典力學不再適用。經典力學只適用于解決低速運動問題，不能用來處理高速運動問題，要解決這一問題就需要用到相對論時空觀。2、根據學生回答問題情況進行點評，指出牛頓力學時空觀的應用范圍。3、通過學生對問題的回答和思考，了解經典力學只適用于解決低速運動問題，不能用來處理高速運動問題（二）相對論時空觀相對論時空觀1、愛因斯坦的兩個假設（1）相對性原理：在不同的慣性參考系中，物理規律的形式都是相同的；表明在任何慣性系中研究某個物體的某一運動過程，其運動規律形式不變。（2）光速不變原理：真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的。表明了經典時空觀與相對論時空觀的不同。2．相對論時空觀的內容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有關。3、時間延緩效應如果相當于地面以v運動的慣性參考系上的人觀察到與其一起運動的物體完成某個動作的時間間隔為Δτ，地面上的人觀察到該物體在同一地點完成這個動作的時間間隔為Δt，則由于1－<1，所以總有Δt>Δτ，此種情況稱為時間延緩效應。4、長度收縮效應如果與桿相對靜止的人測得桿長是l0，沿著桿的方向，以v相對桿運動的人測得桿長是l，那么兩者之間的關系是由于1－<1，所以總有l<l0，此種情況稱為長度收縮效應。（1）式和（2）式表明：運動物體的長度（空間距離）和物理過程的快慢（時間進程）都跟物體的運動狀態有關。這個結論具有革命性的意義，它所反映的時空觀稱作相對論時空觀。愛爾蘭物理學家佛茲杰拉德提出，物質會在運動的方向上收縮（縮小），這意味著根據一個靜止觀察者的觀點，一枚以接近光線運行的火箭所表現出的長度會比它靜止時更短，盡管乘坐火箭的人看來并沒有什么兩樣。愛因斯坦指出，任何物體以光速運動時，其長度將會縮短為零。知識拓展1、狹義相對論按照狹義相對論而言，物體運動時質量會隨著物體運動速度增大而增加(質速關系)，同時，空間和時間也會隨著物體運動速度的變化而變化，即會發生尺縮效應和鐘慢效應。質速關系：m0是物體靜止時的質量，m是物體速度為v時的質量，c是真空中的光速。2、從弱引力到強引力按牛頓的萬有引力定律推算，行星應該沿著一些橢圓做周期性運動，而天文觀測表明，行星的軌道并不是嚴格閉合的，它們的近日點在不斷地旋進，如水星的運動，由經典力學與行星軌道的矛盾說明了什么？參考答案：經典力學只適用于弱引力場，而不適用于強引力場。1、引導學生思考：19世紀，英國物理學家麥克斯韋根據電磁場理論預言了電磁波的存在，并證明電磁波的傳播速度等于光速C這個速度是相對哪個參考系而言的？2、出示圖片：麥克斯韋英國物理學家、數學家3、出示圖片：邁克爾遜：波蘭裔美國藉物理學家。1887年的邁克耳孫—莫雷實驗以及其他一些實驗表明：在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的所以證明電磁波的傳播速度等于光速c，無論對于哪個參考系而言都是一樣的。4、要求學生思考討論：在經典物理學中，如果兩個事件在一個參考系中是同時的，在另一個參考系中一定也是同時的。但是，如果按照愛因斯坦的兩個假設，結論還是這樣嗎？例如：假設一列火車沿平直軌道飛快地勻速行駛。車廂中央的光源發出了一個閃光，閃光照到了車廂的前壁和后壁。（1）車上的觀察者以車廂為參考系，閃光到達前后兩壁的時間相同嗎？（1）車下的觀察者來說，以地面為參考系，閃光到達前后兩壁的時間相同嗎？5、引導學生思考與討論：已知μ子低速運動時的平均壽命是3.0μs。當μ子以0.99c的速度飛行，若選擇μ子為參考系，此時μ子的平均壽命是多少？對于地面上的觀測者來說，平均壽命又是多少？相對于光速而言，低速運動即可近似認為速度為0，即若選擇與μ子一起運動的某一物體為參考系，此時μ子的平均壽命是3.0μs。對于地面上的觀測者來說狹義相對論認為時間不是絕對的（即固定不變的），愛因斯坦指出，隨著物體（觀察者所見到的）運動速度的加快，時間會變慢。6、再思考：相對論時空觀的第一次宏觀驗證是在1971年進行的。當時在地面上將四只銫原子鐘調整同步，然后把它們分別放在兩架噴氣式飛機上做環球飛行，一架向東飛，另一架向西飛。兩架飛機各繞地球飛行一周后回到地面，與留在地面上的銫原子鐘進行比較。它們的時間有什么不同？根據狹義相對論，隨著物體（觀察者所見到的）運動速度的加快，時間會變慢。向東飛行時銫原子鐘的度數比地球上的銫原子鐘慢了這是因為向東飛行速度比地面上的大；而向西飛行的銫原子鐘比地球上的快了，這是因為向西飛飛機的速度和地球自轉相抵消，它們的速度比地面上的小；1、學生閱讀課文思考2、專心聽講，認真領會3、學生閱讀課文后進行思考討論根據愛因斯坦假設：真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的，兩個事件在一個參考系中是同時的，在另一個參考系中不一定也是同時的。學生討論后回答甲（1）如圖甲所示：因為車廂是個慣性系，閃光向前、后傳播的速率相同，光源又在車廂的中央，閃光當然會同時到達前后兩壁。根據愛因斯坦的假設：真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的，所以他以地面為參考系，閃光向前、后傳播的速率對地面也是相同的。在閃光飛向兩壁的過程中，車廂向前行進了一段距離，所以向前的光傳播的路程長些即：閃光先到達后壁，后到達前壁因此，這兩個事件不是同時發生的。5、閱讀課文掌握桿相對靜止的人測得桿長是l0，沿著桿的方向，以v相對桿運動的人測得桿長是l，那么兩者之間的關系是……1、根據學生的理解情況進行評價從掌握愛因斯坦的兩個假設：相對性原理和光速不變原理出發。2、根據學生對抽象物理概念的理解進行剖析3、從學生計算以及合作交流方面進行評價鍛煉學生的總結以及語言表達能力和理解能力（三）牛頓力學的成就與局限性牛頓力學的成就與局限性1、牛頓力學的成就（1）、經典力學的基礎是牛頓運動定律，牛頓運動定律和萬有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊區域，包括天體力學的研究中，經受了實踐的檢驗，取得了巨大的成就。（2）、牛頓運動三定律和萬有引力定律把天體的運動與地面上物體的運動統一起來，是人類對自然界認識的第一次大綜合，是人類認識史上的一次重大飛躍。牛頓力學在如此廣闊的領域里與實際相符合，顯示了牛頓運動定律的正確性和牛頓力學的魅力2、局限性（1）物體在以接近光速運動時所遵從的規律，有些是與牛頓力學的結論并不相同的。所以經典力學只適用于物體的低速運動。（2）在微觀世界中，發現了電子、質子、中子等微觀粒子，而且發現它們不僅具有粒子性，同時還具有波動性，量子力學能很好地描述微觀粒子的運動規律。經典力學不適用于微觀領域中物質結構和能量不連續的現象（3）經典力學規律只在慣性參考系中成立經典力學規律只能用于宏觀、低速（與光速相比）的情形，且只在慣性參考系中成立。引導學生認真努力學習，鼓勵血藥要像一切科學一樣，牛頓力學沒有也不會窮盡一切真理，它也有自己的局限性。它像一切科學理論一樣，是一部“未完成的交響曲”。說明（1）基于實驗檢驗的牛頓力學不會被新的科學成就所否定，而是作為某些條件下的特殊情形，被包括在新的科學成就之中。（2）當物體的運動速度遠小于光速c時（c＝3×108m/s），相對論物理學與經典物理學的結論沒有區別；（3）當另一個重要常數即普朗克常量h可以忽略不計時（h＝6.63×10-34J·s），量子力學和牛頓力學的結論沒有區別。（4）相對論與量子力學都沒有否定過去的科學，而只認為過去的科學是自己在一定條件下的特殊情形。科學漫步1．宇宙的起源與演化我們的宇宙是在約138億年以前從一個尺度極小的狀態發展演化來的。在這個過程中，宇宙的溫度從高到低，先是生成一些基本粒子形態的物質，接著產生了原子、分子等各種物質，物質再進一步聚集起來形成星系，成為我們今天看到的宇宙。出示圖片：普朗克探測器記錄下的微波天空2．恒星的演化閱讀課文說一說恒星是如何誕生的？根據大爆炸宇宙學，大爆炸10萬年后，溫度下降到了3000K左右，出現了由中性原子構成的宇宙塵埃。由于萬有引力的作用，形成了更密集的塵埃。塵埃像滾雪球一樣越滾越大，形成了氣體狀態的星云團。星云團的凝聚使得溫度升高，到一定程度星云團就開始發光，于是，恒星誕生了。1、閱讀課文總結牛頓力學的成就以及它的局限性2、閱讀科學漫步1、根據學生的回答情況進行評價2、從學生掌握牛頓力學和相對論以及量子論的關系進行評價活動三：課堂小結學到了什么？1、愛因斯坦的兩個假設相對性原理：在不同的慣性參考系中，物理規律的形式都是相同的；光速不變原理：真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的。2、時間延緩效應3、長度收縮效應4、經典力學只適用于解決低速運動問題，不能用來處理高速運動問題，經典力學只適用于宏觀物體，一般不適用于微觀粒子：經典力學只適用于解決弱引力問題，不能用來處理強引力問題。利用提問的形式引導學生進行知識小結本節課你收獲了什么？小組討論，總結本節課得失梳理自己本節所學知識進行