全国高中物理优质课赛课晒课一等奖教学设计及反思《经典时空观与相对论时空观》

《经典力学时空观与相对论时空观》粤教版教材必修二模块第5章第二节作者姓名：xxx工作单位：xxx高级中学联系电话：xxxxxxxxxx邮箱：xxxxxxxxxxxxxx《经典力学时空观与相对论时空观》粤教版教材必修二模块第5章第二节【课题、课时】《经典力学时空观与相对论时空观》（1课时）【教学内容分析】课程标准对本节的要求：初步了解经典力学时空观与相对论时空观，知道相对论对人类认识世界的影响。教材的地位和作用：通过上一节的学习，经典力学的成就与局限性，展示经典力学的建立对自然科学发展和社会进步的推动作用。同时认识经典力学的局限性和适用范围，提出在应用范畴上出现的局限。这节书，除了承上，也起到了启下的作用，为后面介绍两种时空观做好铺垫。教材的编写思路：本节内容循着物理学发展的历史，从牛顿的经典力学时空观到爱因斯坦的相对论时空观，对比两者的区别，两者的适用范围。经典力学时空观伽利略相对性原理绝对时空观相对论时空观爱因斯坦相对性原理光速不变相对性的测量结果教材的特点：1.教材注重物理学研究方法的介绍，整节渗透着三个物理方法：思维实验探究法。2.巧妙的设计讨论与交流，通过学生对课本提出问题的解答，顺理成章的从经典力学时空观过渡到相对论时空观。3.有利于学生学习人类研究世界的科学方法，提高自己的分析、解决问题的能力。4.两种时空观的区别和适用范围。教材的处理1.经典力学是讨论物体运动状态及其改变的，为所有的运动都在一定的时间空间进行，所以牛顿力学必定与一定的时空相联系。2.机械运动的描述离不开参考系，然而牛顿定律并不适用于所有的参考系，但是经典力学的理论框架本身并不能明确给出什么是惯性参考系，牛顿引入绝对时空。3.相对论时空观的教学可分三个层次：狭义相对论的提出、相对论时空观、相对论对人类认识世界的影响。【教学对象分析】学生兴趣：学生对相对论又很浓厚的兴趣，但是又不知道讲的是什么。特别是狭义相对论中，同时的相对性，动钟变慢等测量结果，更加是充满了好奇。学生的知识基础：学生已经学习过牛顿的三大定律，顺利成章的提出经典时空观。教师应适当在讨论与交流中，提出狭义相对论。学生的认识特点：在我们日常生活所处的宏观世界中，可以直接用眼睛观察物体的结构，但是原子尺度的微观世界里，已经不能靠眼睛直接获取信息了。学生在学习这部分内容时，会感受到科学方法的转变，同时惊叹于科学家的能力，建立起一个全新认识微观世界的方法和技巧。因此，在教学过程中，应该充分利用多媒体辅助教学的优势，运用动画、图片等，向学生介绍其结构特点，从而化抽象为具体，启发学生思维。【教学目标】知识与技能了解惯性系与非惯性系的概念，了解伽利略相对性原理了解经典时空观及其基本推论了解狭义相对论的理论基础与狭义相对论时空观的几个推论知道经典时空观与相对论时空观的主要区别过程与方法初步了解告诉世界中的奇妙现象。了解爱因斯坦创立狭义相对论的过程，初步体会创立科学理论的基本方法情感态度与价值观通过了解时空观的变革，从中认识物理学的发展与变革，体会相对论对人类认识的世界的影响，感受物理学的发展对推动社会的作用感受科学家客观求实、理性追求、批判创新的精神和富有创造性的想象力通过了解时空的变革，初步认识科学的探究本质。【教学重点】1．经典时空观中的伽利略相对性原理，牛顿力学规律在一切惯性系中都是平权的，等价的；2．由爱因斯坦中狭义相对论推导出不同于经典力学的几个结论；【教学难点】学生如何从日常生活中这种不明而喻的结论转变用狭义相对论时空观来测量和观察，得出不同于经典力学的结论。【教学策略设计】本设计的内容包括三个方面：一是经典力学时空观，二是狭义相对论时空观，三是从狭义相对论的两个基本假设出发，推导出的几个不同与经典时空观的结论。本设计的基本思路是：从参考系的概念引入经典时空观，是为了介绍牛顿引入经典时空观的理论出发，使学生领会经典时空观是经典力学的理论基础。由科学的发展，在高速微观的世界，发现牛顿力学不再适用，引出狭义相对论。相对论时空观的教学可分三个层次：狭义相对论的提出、相对论时空观、相对论对人类认识世界的影响。本设计要突出的重点是：同时的相对性及动钟变慢。本设计强调以人类在狭义相对论时空观下认识过程为知识主线，在教师的方法引导下，学生通过有目的、层次渐进的自主思维活动逐步感受理解人类研究高速世界的神奇。通过丰富的历史背景介绍激发学生的求知欲望；利用清晰准确的课件帮助学生较好地理解抽象的知识。【教学用具】多媒体辅助教学设备【教学过程设计】带电粒子在磁场中运动情况研究事件媒体展示内容学习建议告知目标介绍这节课的主要内容回顾上几章，牛顿力学的三大定律及其应用，指出这一理论形成于十七世纪，在以后的两个多世纪里，牛顿力学对科学和技术的发展起了巨大的推动作用，同时自身也得到了很大发展。能够回顾牛顿力学的内容，能够知道牛顿力学对世界科学发展的重要的意义。刺激回忆经典力学时空观1.伽利略相对性原理从参考系的概念引入经典时空观，介绍牛顿引入经典时空观的理论，是学生领会经典时空观是经典力学的理论基础。对相对性原理的理解重点在于理解所有惯性系都是平等的，等价的。不能用任何实验来区分一个系统是静止的还是匀速运动的。理解我们所说的匀速运动实际上是以地面为参考系，物体不受外力或者所受的合外力为零时的惯性运动。一个物体的运动对相互匀速直线运动的惯性系来说，速度、加速度以及所遵循的力学规律都是相同的。提供指导举例说明在惯性系中牛顿力学适用，在非惯性系中牛顿力学不适用。通过举例，说明如果在惯性参考系中，牛顿定律均适用，而在非惯性系中（例如选择加速的小球作为参考系），牛顿定律不适用。机械运动的描述离不开参考系，然而牛顿定律并不适用于所有的参考系。选择恰当的参考系，是牛顿定律成立的基础。呈现内容伽利略相对性原理实质上指出了惯性运动的范围内不存在绝对的运动。确定或找到牛顿运动定律成立的一个惯性系，就成为牛顿的李学体系自洽、完备的关键所在。牛顿引进了与任何实物都不相关的绝对空间和绝对时间来决定他的力学有效的参考系。同时的绝对性时间间隔的相对性空间距离的绝对性质量恒定不变在牛顿的时空观中，空间、时间脱离物质及其运动而客观存在，空间的延伸和时间的流逝都是绝对的，也就是说，空间、时间就像是事件发生的背景，但是这种背景不受事件的影响，并且时间和空间相互分离。经典力学时空观的这些结论与我们日常生活经验相符，所以绝对时空观很容易被我们接收；而且绝对是空观与经典力学是一致的，所以在经典力学广泛应用的过程中，牛顿的绝对时空观也广为流传。提出问题层现内容19世纪理论物理学达到了巅峰的状态，电磁学与力学的统一是物理学显示出一种形式上的完整，但是，电动力学遇到了一个重大的问题，就是与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致。矛盾：真空中光的速度是个恒量，与参考系的选取无关，这与伽利略相对论原理相矛盾。建立新的理论：相对论、量子力学听老师讲解理解在科学发展的过程中，发现世界规律的方法。虽然曲折，但是仍然在进步。1905年，爱因斯坦发表论文《轮动体的电动力学》，这篇论文是关于狭义相对论的的第一篇文章。"你和一个漂亮的姑娘在公园的长椅上坐一小时,觉得只过了一分钟,你紧挨着火炉坐一分钟,却觉得过了一小时。这就是相对论。"爱因斯坦在一次回答公众对相对论的提问时如此说。虽为玩笑,但其中却包含着相对论最本质的东西。在经典力学看来绝对不变的时间间隔,在相对论看来会。学生对爱因斯坦及他的相对论充满了好奇。介绍过程中应轻松愉快。了解相对论提出的时代背景，初步建立相对性原理的概念。爱因斯坦提出了两个假设，并在这两个假设的基础上构筑了狭义相对论力学。1.爱因斯坦相对性原理2.光速不变原理物理学定律在所有的惯性系中都是一样的，也就是说，物理学定律与惯性系的选择无关。爱因斯坦相对性原理和牛顿相对性原理比较，前者是后者的推广。在任何惯性系中，自由空间（真空）中的光速具有相同的量值。也就是说，不管光源与观察者的相对运动如何，在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的光速都是相等的。就是在看来如此简单且最一般的两个假设的基础上爱因斯坦建立了一套完整的理论——狭义相对论。同时指出爱因斯坦的相对性理论是牛顿理论的发展。通过了解时空的变革，从中认识物理学的发展和变革，体会相对论对人类认识世界的影响，感受物理学的发展对推动社会的作用。了解时空的变革，认识到自然界是可以被认识的，科学是认识自然最有效的途径，科学对自然现象解释和预见的功能。科学只是具有相对的稳定性并不断发展和进步，从过程的意义来看，科学的本质就是探究，是不断地追求真理和不断地修正错误，不断地创新。层现事实强调爱因斯坦提出的光速不变是建立在实验事实的基础上，并不是凭空臆造的。同时指出正因为光速不变，才出现很多与经典时空观不一样的结论.听讲解。提供指导同时性的相对性，是爱因斯坦论述相对论的一个重要依据。运动的相对性即某物对于一个惯性来说是静止的，而对另一个惯性系来说，却可能是运动的。同时的相对性指的是在一个参考系中同时发生的两个事件，在另一个参考系看来是不同时的。我们想象一个实验来解释同时的相对性。视屏中，飞船中间顶部挂一光源，前后都有自动接收装置，接到信号红旗翻起。飞船中间站着一名观察者小明，星球上有另外一名观察者小刚。在飞船里的小明看来，前后红旗同时升起，这和我们的经验常识相符。而星球上的小刚看到的是后面的红旗先升起，因为光传递到前面的距离大于后面的，而光速不变，光传递时间较长的距离需要较长的时间。注意：同时的相对性不会出现不同结果的情况。听讲解，积极思考，理解同时的相对性是针对发生在不同地点的事件而言的，选择不同的参考系，观察的结果不相同。特别注意光速不变的原理在其中的运用。提供指导观看电影片段《星际穿越》，引起兴趣。假设一种计时装置——光时钟，通过光的运动来计算时间。星球上的小刚观察到，身边的时钟的光速是上下运动的。但是飞船上的时钟里的光速从底部发出要到达顶部，但是由于飞船相对星球是运动的，所以在小刚看来动钟变慢。通过观看视频，理解运动的钟变慢。接着通过初中学过的勾股定理，计算出在在飞船上的光时钟里光速从底部发出到达顶部的距离比在星球上的要长。由光速不变原理，飞船上的一个单位时间比星球上的长了，也是我们说的动钟变慢，时间膨胀。时钟相对于观察者是运动的，而且运动的越快，钟的时间走的越慢。信息反馈强化迁移认识到在小明看来小刚也是运动的。这便是运动的相对性，也是爱因斯坦的相对性原理最重要的思想。提供指导强化迁移长度缩短效应只发生在相对运动的方向上如上例中的X轴方向上，在Y轴方向上无长度缩短效应。认真听讲。理解动尺变短实在运动的方向上的，同样是对称的。这个结论表明空间的大小并不是绝对的，而是相对的。质量随着速度的增大而增大。总结由光速的原因，比较两种时空观得出的几个不同的结论。相对论的创立对人们的思维方式产生了深刻的影响。相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念。没有相对论，现在物理学不可能存在。同时，经典力学与绝对时空观可以很好地对付运动较慢的诸如苹果、行星的问题，但是处理光速或接近光速运动的物体却根本无效。实际上，经典力学是相对论在低速条件下的近似。理解经典力学是