《第01节经典力学的成就与局限性》教学设计(广东省省级优课)x-物理教案

《经典力学的成就和局限性》教学设计粤教版必修二第五章第一节一.教学目标:1.课程标准：初步了解经典时空观和相对论时空观，知道相对论对人类认识世界的影响；初步了解微观世界中的量子化现象，知道宏观物体和微观粒子的能量变化特点，体会量子论的建立深化了人类对物质世界的认识；通过实例，了解经典力学的发展历程和伟大成就，体会经典力学创立的价值与意义，认识经典力学的适用范围和局限性；体会科学研究方法对人们认识自然的重要作用，举例说明物理学的进展对于自然科学的促进作用。2.三维目标：【知识与技能】(1)了解经典力学的发展历程和伟大成就．(2)知道经典力学的局限性和适用范围．(3)了解高速、微观、强引力世界中的奇妙物理现象,知道处理上述问题的相关理论．(4)了解经典力学与相对论和量子力学的关系.【过程与方法】（1）经历经典力学建立的物理学史过程，培养科学的思维和对物理的热爱（2）经历经典力学局限性的论证过程，培养思维的条理性和总结能力（3）经历自主、合作、探究的学习过程，培养自主与合作意识【情感态度价值观】（1）知道物理规律一般都有其适用范围，认识科学探究的无穷性（2）培养求真务实、献身于科学的时代精神。3．高中物理核心素养导向的目标：高中物理学科核心素养主要包括物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任四个方面。物理观念包括物质观念、运动观念、相互作用观念、能量观念及其应用等要素。科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。科学探究主要包括问题、证据、解释、交流等要素。科学态度与责任主要包括科学本质、科学态度、科学伦理、STSE等要素。结合本节的内容和学生的基础，应重点落实物理观念和科学态度与责任这两大方面核心素养导向的目标，兼顾落实科学思维和科学探究的某些要素导向目标。（1）物理观念导向目标分析。本节内容对学生提炼物理观念具有催化剂的作用，是点化经典物理物质观、运动观、能量观和相互作用观向现代物理观念转化的重要素材。（2）科学态度与责任导向目标分析。了解经典力学的发展历程和局限性，能够体会科学理论的发展性和相对性，了解巨大成就，体会经典力学的科学方法、理论严密、体系完整、实践性、绝对性等科学本质特征，从而感悟科学态度和科学精神。了解巨大成就，还可以感受科学价值，激发学习物理兴趣，增强立志运用物理知识服务社会的责任感。（3）科学思维导向的目标分析。了解物理史中模型的发展和基于解决矛盾的观念变化，潜移默化，形成建模意识和质疑创新等科学思维素养，（4）科学探究导向的目标分析。了解物理史中的科学探究的问题、证据、解释等要素，潜移默化为科学探究素养。二．教材和学情分析1．教材分析：本节课型从教学时序上看属于新授课，从教学内容上看是物理学史教学课，不是概念课但会涉及许多新概念，新观念，内容广阔博大，所涉及的内容都是现代物理的观念和现象，都十分抽象、怪异，和学生已获得的生活经验积累差异很大。本节内容主要的教育功能是培养学生科学态度和责任，渗透现代物理观念等学科核心素养。对照教学目标，不难发现，粤教版教材这一节的教学内容编写太过简约，如若照本宣科，是无法实现教学目标的，借鉴人教版《经典力学的局限性》中的内容，将本教材中第二节《经典时空观和相对论时空观》融入在本节课，既能通过将经典力学的局限性更好的展示出来，又能通过学生感兴趣的相对论来增加课题趣味，利用多个视频资料激发学生学习物理的热情，培养学生物理核心素养2．学情分析：学生对经典力学的认识也十分有限，对现代物理的两大支柱相对论和量子力学了解就更加稀少，较好的学生通过科普资料对一些现代物理概念术语也知一知半解。学生自己阅读相关资料，会遇到许多新观念、新概念和规律，难以理解，盲目阅读，阅读信心会受到打击，丧失学习兴趣。三．教学方法：从课标内容和教学目标来看，粤教版的这节教学内容设置虽然丰富，但是无法满足学生的需要，需要补充更多内容：经典力学的发展史料，相对论的理解与发展，经典力学与相对论和量子力学的关系，补充了解、认识局限性和适用范围的现象对比，观念差异等，故本节课适合使用讲授法。通过影片《星际穿越》中的一系列问题，教师对教学环节的设计和讲授，使学生在思考讨论中对物理学的见识站在教师的肩膀上，望的更远、更广些，对部分好的学生，激发他们的浓厚兴趣，课外主动涉猎相关物理知识。四．教学重点和难点分析1．教学重点：经典力学的发展历程、巨大成就和局限性。2．教学难点：经典力学与相对论和量子力学的关系。五．教学过程1.【导入新课】播放电影《星际穿越》的一个片段，让学生通过观看影片找到影片中关于时间的几个关键词：【学生回答】：时间变慢，黑洞，穿越，时间不同【教师提问】：为什么时间会出现不同呢？【ppt展示图片】并追问：影片中最令人感动的一个情节是，父亲离开地球执行任务的时候他的女儿还是一个妙龄少女，为什么他回来的时候他的女儿已经变成一个白发苍苍的老太太而父亲的容貌却几乎没有发生变化？能否用前面学过的物理知识来解释？【学生无法解释，产生问题，激发学习的兴趣】2【新课教学】经典力学的成就【趁热打铁】借助学生产生的问题，教师继续发问，推进新课教学【教师提问】我们来回顾我们前面所学到的物理内容也就是经典力学，经典力学有两大支柱分别是什么？【学生回答】牛顿运动定律和万有引力定律【教师引导】这两大定律是牛顿一个人提出来的吗？牛顿有一句非常著名的话：“我之所以看的远，是因为我站在巨人的肩膀上”下面我们来回顾一下经典力学的发展史，也看看牛顿说的这些巨人都有谁？他们又是通过什么样的方式为经典力学做了哪些贡献？【学生回答】学生通过预习课本的内容结合前面学到的物理知识回顾经典力学的发展史亚里士多德——观察、经验：必须有力作用在物体上物体才能运动伽利略——实验、推理：物体保持运动不需要力维持笛卡尔——总结归纳，数学推导：如果运动中物体没受到力。将以同一速度沿以直线运动。牛顿——归纳演绎、实验观察、数学推导：牛顿三大运动定律【教师补充】在学生回答的基础上，教师进行适当的提问和补充帮助学生更快更好的回顾经典力学的发展史，通过物理学史领悟科学家做出的伟大贡献的同时，也知道科学思维方法的逐步提升和完善，【教师提问】通过生活中的实例提问，一个物体如果不受力将做什么运动？受恒力？受变力？由物体的运动状态和力的关系引导学生分析牛顿运动定律得到：牛顿运动定律是研究地面上物体的运动规律。【学生回答】万有引力定律发展过程科学家的贡献和成就哥白尼——为真理献身，日心说第谷——天才观测家，20年精心绘制行星数据开普勒——坚信真理，研究数据得到开普勒三大定律胡克，哈雷——理论分析，进一步解释行星运动规律牛顿——总结，归纳，数学推导，形成万有引力定律【教师引导】结合我国航天事业的发展，提出卫星发射和回收问题，得到万有引力定律是研究天上物体的运动。【教师小结】：我们把研究地面上物体运动规律的牛顿运动定律和研究天上物体运动规律的万有引力定律以及在经典力学形成过程中的科学思维方法组合起来，就够了经典力学。有了牛顿的经典力学，我们可以解释地面上物体的运动，例如博尔特起跑，冲刺，以及他在整个跑步中的任何一个环节，也可以解释天体运动，例如嫦娥一号卫星的发射，变轨，回收，再加上科学的思维方法，经典力学已经非常非常完美了。所以在1900年英国皇家学会的新年晚会上，开尔文勋爵说物理学的大厦已经非常完美，剩下的只是做一些修修补补的工作。3．【推进新课教学】——经典力学的局限性【教师提问】经典力学真的是完美的吗？，他真的能解释一切物理问题吗？从刚才对经典力学的回顾我们可以看出，我们能不能解释为什么女儿年龄会看上去比父亲大，这就说明经典力学还是有局限性的。【教师引导】经典力学的局限性来自于牛顿的经典时空观。（1）时间间隔绝对性（2）空间距离绝对性【举例说明经典时空观】（1）一节课的时间不会因为任何事物发生变化，就是40分钟，时间间隔不变（2）教室的大小不会因为任何事物发生变化，就是这么大，空间距离不变【提问】你还能举出生活在的其他例子吗？【追问】为什么几百年来我们对于牛顿的经典时空观没有提出过异议？【提示】因为我们生活在一个低速的环境中，而如果我们运动的速度增大到接近光速比如说像影片中的飞船，那么经典时空观就不再适用了。这个时候我们就需要召唤出另外一位伟大的科学家：爱因斯坦1.从低速到高速——【狭义相对论】【教师引导】爱因斯坦提出了相对论时空观（1）不同惯性参考系，物理规律相同（2）任何惯性系，光速不变【教师解释】光速不变：如果有一艘船以速度v向前行驶，同时往前发出一束光速度为c，那么在经典时空观中我们看到光的速度是多少？【学生回答】v+c两个速度叠加，光的速度变大【追问】如果在相对论时空观呢？【学生回答】因为光速不变所以光的速度还是c【教师总结】正是由于光的速度不变，如果船的速度v比较小相对c可以忽略，也就是我们生活的情景这个时候牛顿的经典时空观是成立的，如果当船的速度接近光速时差别就显示出来了。【观看影片】中央电视台有一档科学探索节目对狭义相对论做了解释，下面让我们一起来学习一下。通过影片生动，形象，简洁的解释能更好的理解狭义相对论。【教师提问】影片中提到在高速移动的飞机上的时间会有什么变化？通过坐飞机来长寿，人一辈子能获得多少时间？这个时间又是怎么计算出来的？下面让我们来看看伟大的爱因斯坦的聪明之处【教师引导】相对论对很多人来说都是非常的神秘难懂，以至于在当时世界上只有几个科学家看得懂。今天老师就带领大家用所学到的知识一起来推导出狭义相对论的公式，看看大家是否足够聪明。（激发学生学习兴趣）【狭义相对论时间膨胀公式推导】通过火车上的光源来推导【教师小结】大家看神秘的相对论公式是不是被我们推导出来？看来大家都有成为物理学家的潜质【教师提问】：有了这个公式我们再来回答为什么女儿的年龄看起来比爸爸的年龄大很多？【学生回答】：因为父亲做航天飞机以接近光速飞行了，他的时间膨胀了【教师提问】假如飞船的速度是0.88c那么飞船上经过一年，地球上经过多少年？【ppt展示】狭义相对论的另外两条公式：长度公式，质量公式，解释公式中各符号的意义，说明运动的尺子长度会变短，质量会变大。【课后思考】请同学们在课后相互讨论看能否利用我们已学过的知识来推导下面两个公式，提示，遇到不懂的问题可以借助网络的力量来辅助学习。当然这3个公式我们在高中阶段是不需要掌握其计算的，但是我们要知道其出现的背景，更重要的是我们要知道原来利用我们学到过一些简单的物理知识是可以推导出更高深的物理知识，所以我们要把高中物理学好学扎实。【ppt展示】利用两幅视觉对比效应的图，在进一步解释狭义相对论。同时引用爱因斯坦对相对论的解释进一步说明。2.从弱引力到强引力——【广义相对论】【投影水星进动的动画】简介水星进动发现的物理故事，行星的运行轨道并不是严格闭合的，它们的近日点在不断地旋进。【教师提问】：为什么会发生水星进动现象？万有引力定律能解释吗？【学生产生问题】无法回答，引起矛盾，产生兴趣【教师引导】教师介绍弱引力无法解释水星进动，需要引入强引力解释水星进动的原因，引出广义相对论【观看视频】通过广义相对论解释的视频进一步了解广义相对论的内容和发展历程【教师总结】我们在影片中看到的黑色洞穴，产生穿越的原因你看懂了吗？原来当天体的质量很大比如黑洞，这个时侯天体间的引力就趋于无穷大，属于强引力。黑洞这种极端条件下的宇宙天体。它有极强的吸引力，黑洞本身的巨大质量造成空间弯曲，在一定的条件下就可以回到过去。【引力波的发现】ppt展示2016年引力波的发现证明了广义相对论的正确性，在这个团队中就有我们学校的师兄，原来科学的发现竟然离我们这么近，我们也可以成为科学家。目前人类还无法找到这个一个黑洞和回到过去的方法，希望各位同学能够努力学习找到回到过去的方法，为人类的发展做出贡献。3.从宏观到微观——【量子力学】【教师导入】虽然广义相对论给人们提供了一个回到过去的途径，但是科学家又提出了一个有趣的问题：如果你回到了过去一不小心害死了你的祖母，那么你的父亲就无法出生，自然也就没有你，那你怎么回到过去呢？这就是著名的“祖母悖论”。当然我们的物理学家是非常的聪明，我们来看看他们又是怎么回答这个问题的，提出了什么样的新的理论【ppt展示投篮动画】【教师提问】：篮球场上，篮球出手的瞬间，我们能否预测篮球运动的轨迹，篮球的落点，以及篮球是否能投中篮筐？【学生回答】可以。因为我们通过对篮球进行受力分析，篮球受重力，具有斜向上的速度，做斜抛。我们可以通过公式计算出篮球运动的轨迹，篮球的落点，以及篮球是否能投中。【教师追问】：如果把篮球缩小到只有电子的大小，再投一次蓝，会出现什么结果呢？为了方便观察电子落点的位置，我们在篮框后面放了一个光屏，现在我们给电子一个水平方向的初速度，电子的运动轨迹和落点会是什么样呢？【学生回答】：都会落在中间的位置上【播放动画】与学生认知产生矛盾【教师总结】：实际上这个动画是模拟一个实验，电子束轰击铝箔的实验，真正的实验照片是这样的（展示实验图片），亮的地方表明电子到达了，原本以为电子会只在中间的位置出现，这儿确实也比其他地方亮，说明到达中间的电子还是比较多，但是还有一些电子却达到了环形位置，可见在微观世界里，经典力学不适用了。这个时候就要用量子力学来解释，而量子力学最大的特点就是不确定性。有了这个不确定性，我们就可以来解释刚刚“祖母悖论”这个问题，宇宙中也存在不确定性，也就是所谓的平行空间，在这个空间了你不小心害死你的祖母，但是由于不确定性，会存在