2006新课程必修2《万有引力》和《相对论和量子论》全章解读(鲁科版)[.ppt

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1、接受学习需渗透科学探究思想 浅析高中物理必修2教学,三明一中 罗 翀 ,第5章 万有引力定律及其应用,本章课程标准及解读： （1）通过有关事实了解万有引力的发现过程。知道万有引力定律。认识发现万有引力定律的重要意义，体会科学定律对人类探索未知世界的作用。,通过史实了解万有引力定律的发现过程，这里强调了对物理学发展历程的展示，体现了学科渗透的理念。当然学生不仅要了解发现过程，而且还应知道万有引力定律。 万有引力定律的发现具有非常重要的意义，如促使物理学完成了第一次大综合，预测了当时的未知天体，使人造卫星上天等等，万有引力定律的发现让人类对世界有了更多的认识，学生应由此体会科学定律对人类认识世界的

2、作用。,（2）会计算人造卫星的环绕速度。知道第二宇宙速度和第三宇宙速度。,学生应该知道什么是环绕速度，会通过公式计算人造卫星的环绕速度，知道为什么人造卫星不会从天上掉下来。 学生还应知道什么是第二宇宙速度和第三宇宙速度，什么情况下卫星达到第二宇宙速度和第三宇宙速度。 这些内容学生会很感兴趣，因此可以组织学生观看有关人造地球卫星、航天飞机、空间站的录像片等，进一步激发学生的学习兴趣，了解人类在这方面的进展。,（3）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，认识经典力学的实用范围和局限性。,本条目要求学生从历史的角度，通过实例了解经典力学的发展历程，了解经典物理的伟

3、大成就及其对人类社会发展带来的影响，例如，让学生了解经典力学对航天技术发展的重大贡献等，再如，让学生比较重物下落与天体运动的多样性与统一性，了解万有引力定律对科学发展所起的重要作用，由此，让学生体会经典力学创立的价值与意义。在实践活动中可以让学生收集我国和世界航天事业发展历史和前景的资料，写出调查报告等。,当然随着时代的发展，科技的进步，经典力学也逐步显现出一定的局限性，因此，本条目要求学生认识经典力学的实用范围和局限性。这有利于学生整体上了解物理学的发展历程，把握物理学的主要思想。,（4）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。,在学习共同必修课

4、程时，学生还应体会科学研究方法对人们认识自然的重要作用。物理学是一门基础学科，对其他学科的发展发挥了重要的作用，因此，学生应该通过实例了解物理学的发展对自然科学的进步的重要作用。,本章学习万有引力定律和天体运动规律方面的有关知识；培养发现问题、提出问题的能力和建立假设的能力。本章重点是理解万有引力定律的内容、了解卫星发射的基本原理；难点是运用万有引力定律计算卫星的环绕速度。 通过本章学习，了解经典力学对航天技术发展的重大贡献；通过用万有引力定律发现未知天体的事实，了解科学定律对人类认识世界的作用。了解科学探索过程的曲折与艰辛，体会科学家勇于探索，实事求是的科学态度与科学精神。,编者编写意图：,

5、课程简介,本章从“嫦娥奔月到阿波罗上天”导入，按“万有引力定律及常量的测定”、“万有引力定律的应用”、“人类对太空的不懈追求”三部分编写。 通过导入嫦娥奔月的神话与“阿波罗”的现实对比，一方面让学生体会人类在不懈追求中的伟大成就，另一方面也由此激发学生对“阿波罗”上天的好奇与求知欲，为万有引力定律的引进铺垫；接着介绍行星运动规律、万有引力定律及引力常量的测定等；然后通过卫星上天、未知天体的预测等凸秒显万有引力定律对人类社会进步和科学发展的促进作用；最后通过“古希腊人的思考”、“文艺复兴的撞击”、“牛顿的大综合”、“对太空的探索”等，展示了万有引力定律的发现过程，反映了科学探索过程的曲折与艰辛，

6、体现了科学家勇于探索、实事求是的科学态度与科学精神，凸现了牛顿对物理学上第一次大综合的重要意义，介绍了人类在探索太空中取得的伟大成就。,第1节 万有引力定律及引力常量的 测定,一、 内容与地位 根据普通高中物理课程标准共同必修模块“物理2”对本节的要求，在教与学的过程中应让学生领悟到万有引力定律揭示了自然界最普遍的一种相互作用，它的发现具有非常重要的意义，如促使物理学完成了第一次大综合。引力常量的测定又赋予了万有引力定律真正的实用价值。沿着历史的足迹了解万有引力定律的发现过程，体验科学探究过程的艰辛与乐趣，并从中学习科学的研究方法和科学精神。,二、 教学目标,（1）了解万有引力定律的发现过程，

7、领悟科学的研究方法和科学精神。 （2）理解万有引力定律的含义，知道万有引力定律并能进行简单计算。 （3）通过引力常量的测定理解“将直接测量量转化为间接测量量”是科学研究的重要方法之一。,三、重点与难点,（1）理解万有引力定律的含义，万有引力定律并能进行简单计算。 （2）理解引力常量的测定思路、方法及意义。,四、教学设计,（一）引入新课： 自古以来，人们不仅创造了关于星空的神话诗词，而且孜孜不卷地探索天体运动的规律。教师在课前让学生查阅、收集上述相关资料感受人类对太空的向往和不懈探索追求。引入时选择几个典型的材料让学生发表简短的演说，激发学生的学习热情。,（二）新课教学,1、行星运动的规律,1.

8、”K”是与行星无关的常量，但对不同恒星，其周围绕行的行星的K值是不同的。,即：水星冥王星周期由小到大,2、万有引力定律,（1）推导：行星为什么要绕太阳运动？行星受太阳的引力（已是常识），引力有何规律呢？首先将行星运动近似为圆轨道上的匀速圆周运动，请学生思考：能否根据行星运动的规律推导引力作用的规律？,由牛顿运动定律、开普勒第三定律可推导得：,说明：该部分内容教师可视学生的具体情况取舍。当然，推导使得万有引力定律公式在逻辑上更严密，结构上前后呼应； 值得提醒学生注意的是牛顿是在椭圆轨道下证明万有引力定律的。,(2)进一步请学生思考：重力使苹果落地，设想苹果树不断长高直至月球的轨道，苹果受地球引力

9、依然落回地面，月球也受到地球引力为什么没有落回地面？分小组讨论。,预测：学生参与讨论，可能有不同的观点： A）引力与重力不同，引力作用下物体做环绕运动，重力作用下物体竖直下落，力的作用效果不同； B）月球太远引力不够大，所以月球才没有落回地面； C）只是月球有速度而苹果是静止，因而月球做环绕运动（曲线运动）、苹果竖直下落，其实引力与重力本质应是相同。 ,师：如何判断一物体的运动规律？ 应由受力情况和运动初态两方面共同决定。进一步明确月球与苹果不同在于两者受力时的运动初态不同，即月球有速度而苹果是静止，地球对月球的引力提供了月球绕地球运动所需的向心力，对月球产生向心加速度。地球对苹果的重力产生自

10、由下落加速度。地球对月球的引力、地球对苹果的引力本质上是一样的。,（3）定量验证： 牛顿的“月地”检验,说明：定性分析有助于开拓学生思路，是否做定量验证教师可视学生的具体情况取舍。 结论；地球对地面物体的引力、行星对卫星的引力以及太阳对行星的引力是同一性质的力，遵循相同的规律，并由此推广为自然界任何两个物体间都存在这样相互作用即万有引力。,（4）万有引力定律,公式： 适用条件：可以看成质点的两物体间或两均匀球体间的相互作用。 r的含义：当两物体相距很远可以看成质点时，r是两质点间的距离；若是两个匀质的球体，r是两球心的距离。,请判断下面说法是否正确：当两物体间距离r不断减小至趋于零时，两物体间

11、引力F趋于无穷大。这不可能，我们没有这样的体验，但错在哪呢？ 生：万有引力的公式不正确，没有普遍性 师：当r趋于零时两物体不能看成质点，万有引力定律公式已不再适用。 说明：可举一些实例说明以增加感性认识，如：两艘万吨级轮船相距10km时相互吸引力的数量级为10-3N，等等。,（三） 引力常量的测定及其意义,牛顿的万有引力定律发表111年后才由卡文迪许第一次较精确的测出引力常量，其关键是如何将一般物体间几乎可以忽略的引力显现出来并做定量测量。,1、实验思路、方法： （1）由万有引力公式将直接测量量（m、m、r、F）来表示间接测量量（G） （2）将微小量巧妙地“放大”(如：放大微小引力F、放大石英

12、丝的扭转角度) （3）可借鉴的演示实验：观察微小形变，如：厚壁扁玻璃瓶的形变 、“光放大”讲台面的形变,说明：演示实验应请学生参与以调动学生积极性，增强师生的互动性。,请学生思考并回答：卡文迪许的实验装置巧妙之处在哪？,师：收集学生观点并归纳如下： 将力F的测量转化为力矩M（M=FL）的测量，由于引力很小因此需将T型架的水平部分做得很长； 利用平面镜的反射来“放大”石英丝扭转角度，同时增大平面镜与刻度尺间的距离，使扭转角度更方便测量、提高测量的准确度； 整个装置轻巧、庞大并密封抗干扰以增强其灵敏度。,2、引力常量的测定的意义 引力常量的测定证明了万有引力定律的正确并使之具有了真正的实用价值。

13、3、应用：计算天体的质量 请思考：卡文迪许为什么被称为“能称出地球质量的人”？根据这节课的知识，你能成为一个“能称出太阳质量的人”吗？,建议：研究性小课题：我测引力常量 组织学生分小组进行实验方案设计、模拟实验，并形成小论文。这有助于学生理解实验方法，培养创新精神。,五、案例心得,本节课属于物理规律的教学，要重视展示万有引力定律发现历史的过程，充分发挥史实对学生的启迪作用，让学生体验科学探究过程的艰辛与乐趣，学习科学的研究方法和科学精神。 对于万有引力定律学习，重视问题情景的创设，让学生经历问题分析的思维过程，使学生对规律的认识是丰富的、全面的。 对于引力常量的测定的教学设计，通过一系列问题让

14、学生在问题讨论中体会实验的巧妙设计，感受物理研究的方法，激发学生的创新意识。通过应用实例的学习体会到引力常量的测定的重要意义。,第2节 万有引力定律的应用,一、内容与地位 本节课是在学习了圆周运动与万有引力定律之后的一节应用课，因此，在教学中应让学生用万有引力定律对天体运动进行探究，采用启发式教学，要求学生知道人造卫星为什么不会从天上掉下来，会用公式计算人造卫星的环绕速度，知道卫星的第二宇宙速度和第三宇宙速度及达到这两个速度的的条件。,二、教学目标,（1）了解人造卫星，会计算人造卫星的环绕速度。知道第二宇宙速度和第三宇宙速度。 （2）利用万有引力定律探究第一宇宙速度以及探究运行速率与半径的关系

15、，使学生真切感受到用自己所学的物理知识能解决天体的实际问题，激发学生学习的热情。 （3）通过介绍我国在卫星发射方面的情况，激发学生的爱国热情，通过万有引力定律的应用，让学生懂得理论来源于实践，反过来又可以指导实践的辨证唯物主义观点。,三、 教学重点与难点,利用万有引力定律探究运行速率与半径的关系、估算中心天体质量、第一宇宙速度以及探究地球同步卫星特点。 本节是一节知识应用与扩展的课。首先根据学生已有的圆周运动与万有引力定律的知识，以及牛顿当年的设想，与学生一起探究人造卫星上天的原理。其次，关注学生已有的认知经验，围绕第一宇宙速度进行讨论，并且向学生介绍第二宇宙速度和第三宇宙速度以及发现未知天体

16、，让学生形成较正确的卫星运动图景。,四、教学设计,（一） 导入新课 晴朗的夜空，当你抬头仰望满天星斗时，有时会看到一种移动的星星，它像天幕上的神行太保匆匆奔忙，它们是什么星?在忙些什么？这种奇特的星星并不是宇宙间的星球，而是人类挂上天宇的明灯人造地球卫星。它们巡天遨游 ，穿梭往来，忠实地为人类服务，给冷寂的宇宙增添了生气和活力。别看人造卫星个头不大，五脏可齐全呢！它的通用系统有结构，温度控制，姿态控制，能源，跟踪，遥测，遥控，通信，轨道控制，天线等等系统，返回式卫星还有回收系统，此外还有根据任务需要而设的各种专用系统。,（二） 人造卫星上天,1给出牛顿的抛体运动图，提出问题，在地面上抛出的物体

17、为什么要落回地面？引导学生讨论：由于受到地球引力的作用，所以最终会落到地面。 再深入探究：（1）月球也要受到地球引力的作用，为什么月亮不会落到地面上来？ （2）若抛出的物体的速度足够大，物体将会怎样？,学生分小组讨论，得到月球受到的地球的引力，用来充当绕地球运转的向心力，故而月球并不会落到地面上。如果抛出的物体的速度足够大，物体飞行的距离也很大，由于地球是一圆球体，故物体将不能再落回地面，而成为一颗绕地球运转的人造卫星。,2从上面学习可知，当抛出的物体的速度足够大时就可以成为卫星，那么如何获得这么大的速度呢？ 向学生介绍俄国科学家齐奥尔科夫斯基利用多级火箭克服地球引力实现宇宙航行的构想。 介绍

18、中国成功发射的运载火箭。,3教师进一步提出：当抛出的物体的速度足够大时就可以成为卫星，那速度要大到什么程度就叫足够大了。请同学们思考如何计算这个速度。 可以分小组讨论，首先要弄清楚：要求这个速度，我们已经知道的并可能被利用的数据有哪些？（让学生自己寻找已知条件）,预测：学生的回答可能这样：知道G、 g 、M地、R地、r月、T卫、 T月、v等； 教师进一步引导，根据大家所给的已知条件，可以联想到与之有关的什么公式？ 预测：学生的回答可能这样：,如果学生只提出其中的一种或两种求法，教师可以启发学生得到各种计算方法。 可以根据学生给的 ： 让学生用不同的公式计算速度。代入数据算出速度为7.9km/s

19、。这个速度称为第一宇宙速度,也称为环绕速度。,7.9km/s这个速度到底有多大，学生没有感性认识，可以给学生举一些例子来说明。比如：在高速公路上乘过车的同学可以推算，高速公路上最高限速为120km/h，换算成33.3m/s，第一宇宙速度将近是它的240倍；农村学生如果家离学校较远，可以推算以第一宇宙速度从家到校只需几秒。通过这些例子，让学生体会第一宇宙速度的“快”，体会现代科学技术的伟大。,4如果物体发射的速度更大，第二宇宙速度v2 =11.2km/s时，物体将能够摆脱地球引力束缚，v3= 16.7km/s这个速度称为第三宇宙速度，物体将能够摆脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外。,5迷你实验：要求

20、学生体会：用手拉着绳子的一端，让小球旋转时，手有什么感觉。当旋转很快时，小球会挣断绳子飞出去，想想这是为什么。用一根更细的绳子，小球更容易挣脱，这又是为什么？引导学生理解这是因为绳子的拉力不足以提供小球做圆周运动的向心力，所以出现了离心现象。,6讨论与交流：由“阿波罗”登月往返航线引发的思考。可以让学生在课堂各抒己见，教师对学生的各种思考给予分析评价，如果出现不能解决的问题，可以作为学生课后研究性学习的一个课题。,7.探究运行速率与半径的关系,预测：学生的回答有两种可能： 教师引导当r改变，g、v会变，不能得到v与 r的关系 只能认为 得出卫星的运行速度与其本身质量无关，与其轨道半径的平方根成

21、反比。这是一个非常有用的结论。,（三）预测未知天体,可以让学生阅读课文，回答老师提出问题： （1）用万有引力定律发现了哪些行星？ （2）人们是怎样应用万有引力定律来发现未知天体的？引导学生得出用万有引力定律发现了海王星，冥王星。,人们在长期的观察中发现天王星的运行轨道与用万有引力定律计算出的有较大的偏差。于是，有人推测，在天王星的轨道外侧可能还有一颗行星，它对天王星的引力使天王星的轨道发生偏离。而且人们计算出这颗行星的可能轨道，并且在计算出的位置终于观测到了这颗新的行星，将它命名为海王星。 再后，又发现海王星的轨道也与计算值有偏差，人们进一步推测，海王星轨道外侧还有一颗行星，于是用同样的方法发

22、现了冥王星。可见万有引力定律在天文学中的应用价值。,三、案例心得,本节课教学设计在利用万有引力定律推导第一宇宙速度和运行速率与半径的关系，教师要注重创设问题情景，激发学生的探究热情，根据学生的认知发展，有步骤的提出几个问题，使学生在自己的独立思考和交流过程中，不断的发展自己的观点，经历了学习过程的体验。 迷你实验室：由“阿波罗”登月往返航线引发的讨论中，给了学生动手的机会，培养学生利用互联网收集、处理信息的能力。,专题 应用万有引力定律分析天体运动,基本方法：,在空中(r=R+h)：,在地表（rR）：,（黄金代換式）,1、中心天体质量M一定，当r增大时，a向g空、 v、w、f均减小，只有T增大

23、。,注意以下问题的分析：,注：,物体随地球自转的a向1w2 rr，其中r= R cos,卫星绕地球运动的a向2,赤道上的物体随地球自转的a向1比近地卫星绕地球运动的a向2要小得多, 这是因为：,其中r为m到地心的距离。,2、求中心天体质量、密度：,方法一： 即先要观测出该天体周围的某颗卫星的轨道半径r和运转周期T。 方法二：在星球表面： 即先要观测出该天体的g表和自身半径R就可求出天体质量。,平均密度,若卫星紧贴地表运行： ，即只要测出其近地卫星的周期T，就可求出该天体的平均密度。,3、宇宙速度：,注：人造卫星的发射分三个阶段： 发射阶段：处于超重状态；漂移阶段；运行阶段：处于完全失重状态。

24、环绕速度与发射速度：当r增大时， v环绕减小，而v发射增大。 v1是最小的发射速度，同时也是最大的环绕速度，且这时环绕周期,4、地球同步卫星：,其特点有“五定”，即： 定周期：T=24小时 定轨道平面：均在赤道平面内（否则不会与地球同步） 定高度： 地球半径R和运转周期T恒定,故同步卫星轨道半径r恒定.,定速度： ，同步卫星的轨道半径r和运转周期T恒定，故其运转的r、w也恒定。 定点：每颗同步卫星都定点在世界卫星组织规定的位置上。,接受学习要与科学探究相结合,案例：万有引力是怎样提出来的？,万有引力定律发现的三个阶段,思想孕育阶段：万有引力的提出； 定律推演阶段：万有引力定律的推导； 事实与实

25、验验证阶段；,万有引力的提出，序,对行星运动问题了解得比较清楚之后，人们更深入地思考是什么原因使行星绕着太阳运转？ 在开普勒时代有些人对此的回答是小天使在后面拍打翅膀，推动着行星沿轨道飞行。 而牛顿为代表的一些科学家则意识到太阳可能是支配行星运动的那些力的渊源。,创造性思考的开端,牛顿22岁在剑桥大学取得学士学位后，由于瘟疫流行，回到了自家的农场。 在此后的18个月中，牛顿经过不断地思考和论证，奠定了万有引力理论的基础。,牛顿在思考过程中得到的认识,苹果下落和月球围绕地球旋转都来自于同一种力，那就是地球的引力； 这种引力不只存在于地球和月球之间，还存在于太阳系中太阳与各行星之间以及行星与卫星之

26、间； 这种引力不只限于天体，还存在于地球上的一切物体之间； 推而广之，宇宙间的每一对物体之间都存在这种引力的作用。,思考与交流 ：,对于上述万有引力的概念，你有什么困惑和看法？ 苹果下落，为什么月球不落下？ 月球绕地旋转，苹果也能绕地旋转吗？ 为什么我们没有察觉地球上物体之间有引力？,苹果与月球有共同之处吗？,牛顿对行星运动的研究工作首先是从研究月球轨道开始的。 苹果和月球除了两者大致都是圆的以外，可能再也找不出它们相同之处，牛顿却看到了它们的相同之处。 下面让我们参照牛顿的研究思路来学习万有引力的概念。,思考与交流： 月球为什么不会飞出去？,谁说月球没有下落？,如图所示，当一个苹果落向地面的

27、时候，它必定受到地球对它的拉力作用，苹果的速度和加速度的方向以及地球的引力方向，都指向地心。 月球是绕地球做圆周运动的，它的速度方向环绕地球而不是指向地心。由牛顿第一定律，如果月球没有受到任何力的作用，它就保持匀速直线运动，也就是说，月球将会飞出地球（图中由A向B运动）。而实际上月球却是沿圆周运动到C点。使月球偏离直线运动，必须有一个指向地心的力作用于它，牛顿假设这个力与拉苹果向下的力的来源相同，就是地球的引力。,名人名言,当每个人都认为月亮不往下掉的时候，只有牛顿这样的人才看到月亮正在往下掉。 瓦莱里（1871-1945），法国诗人和哲学家,思考与交流 ：,苹果也可以不落向地面吗？,牛顿的又

28、一论证,牛顿还从另一角度进行了论证：如果我们水平地抛出一个物体，由于受地球引力的作用，它将沿弯曲的路径落向地面。 如果抛出的速度越大，则它绕过地球表面的落点越远。可以想象，抛出的速度大到一定程度，物体就会进入地球轨道而不落下。 正是由于这样的原因，月球虽受地球的引力而不落到地球上。,从苹果、月球与地球到天体的推广,牛顿还作出了更具有普遍性的思考。 正像月球绕着地球转动一样，行星绕着太阳转动，太阳对每一个行星都有引力的作用。 根据牛顿第三定律，每一个行星也对太阳产生引力的作用。任意两个天体之间都有引力的作用。,进一步的推广,引力不只限于天体之间。地球上的任意两个物体之间也存在引力的作用，不过物体

29、之间的引力很小罢了，使你感觉不到这个力的存在。 因此牛顿指出，引力是普遍（万有）存在的力每个物体都吸引任何其他的物体。 这就是牛顿引力理论的中心思想。,名人名言,在地球上摘朵花，你就移动了最远的星球！ 狄拉克,天才的智力苦斗,不要认为万有引力定律只是数学天才的逻辑演绎结果。正如爱因斯坦所言： “只有通过那种以对经验的共鸣的理解为依据的直觉，才能得到这些定律。” “想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象（力）概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。严格地说，想象（力）是科学研究中的实在因素。”,第6章 相对论与量子论初步,课程标准及解读： （1）初步了解经典时空观和相对论时空

30、观，知道相对论对人类认识世界的影响。,在共同必修模块中引入经典时空观与相对论时空观的比较，旨在为学生开启了解近代物理的一些窗户，让学生了解近代物理的一些核心内容，同时也让学生了解经典物理的一些局限性。 爱因斯坦的相对论是近代物理的支柱之一，学生应该了解相对论时空观的主要思想，了解相对论对人类认识世界的影响。本条目体现了经典物理与近代物理的结合。,（2）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于物质世界的认识。,在共同必修中引入量子论的一些思想，这有利于学生了解与宏观世界有区别的微观世界，了解近代物理的另一支柱微观世界的量子论。 本条目要

31、求学生初步了解微观世界的量子化现象，知道微观世界的能量变化与宏观世界的能量变化不同，即不是连续的，而是量子化的。体会量子论的建立是如何促进人们认识物质世界的。本条目也体现了经典物理与近代物理的结合。,编者编写意图：,初步了解经典时空观和相对论时空观的区别，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。 通过本章学习，体会理想实验、物理模型等研究方法的重要作用，发展想象能力，培养敢于质疑的精神和创新的意识；体会量子论的建立深化了人类对物质世界的认识，知道科学理论不是一成不变的，而是一个逐步完善的过程。,课程简介：,本章导入部分利用19和20

32、世纪之交的物理学天空中的“两朵乌云”，向学生展示完全不同于我们熟悉的低速宏观世界的另一个崭新的:世界高速世界和量子世界。,第一节高速世界，从经典力学解释迈克尔逊莫雷实验结果所产生的矛盾入手，按照物理学发展的历程，引出爱因斯坦的两个基本假设。通过形象生动的画面和通俗易懂的实例让学生初步认识狭义相对论。 第二节量子世界，从热辐射规律入手，揭示经典物理学理论与实验结果的严重背离，阐述普朗克“量子假说”，初步认识玻儿理论重要意义，同时让学生认识光的粒子性和波动性。通过实例初步了解微观世界量子假说。,第1节 高速世界,一、 内容与地位： 在此之前的学习过程中，学生已经对经典物理学的理论和成就有了一定的了

33、解。但是，学生在共同必修模块中，没有接触波动学、电磁学、光学等相关知识，学生对这些相关知识的了解还停留在初中极浅显的认识基础上。所以，在指导学生研习这部分内容时，要充分做好先行知识的组织，使学生通过对经典时空观的突破来了解相对论时空观的主要思想。在教学活动中要淡化爱因斯坦和相对论的神秘色彩，要使学生领会爱因斯坦在研究工作中表现出来的创新精神、所应用的科学方法不是高不可攀的，我们是可以理解问题的。,二、教学目标：,1、初步了解经典时空观被突破的过程和爱因斯坦构建新理论的方法。从而了解相对论时空观的主要思想，并根据相对论时空观进行公式推导，解释相关的一些现象。 2、认识经典力学的实用范围和局限性，

34、知道相对论对人类认识世界的影响，体会科学研究方法和尊重实验事实的科学态度对人们认识自然的重要作用。,三、重点和难点：,重点：通过分析和讨论，了解经典物理时空观的局限性及其与相对论时空观之间的差异。 难点：揭示出经典时空观与麦克尔逊莫雷实验结果具体的矛盾表现。,四、教学设计：,（一）导入新课 1900年的4月27日，在英国伦敦皇家研究所举行的科学报告会上，一位德高望重的老科学家开尔文作了一个演讲，题目是在热和光动力理论上空的19世纪乌云。他的第一段话是这么说的：,“动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了”(The beauty and

35、 clearness of the dynamical theory, which asserts heat and light to be modes of motion, is at present obscured by two clouds.),这个“乌云”的比喻后来被反复地引用。联系到当时人们对经典物理学成就的乐观情绪，许多时候这个表述又变成了 “物理学晴朗天空的远处，漂浮着两朵小小的令人不安的乌云。”,这两朵“乌云”是： 1、【板书】迈克尔逊莫雷实验（1881年1887年间）：研究光沿不同方向传播速度的差异。 2、【板书】热辐射实验：（1900年左右）：研究热辐射的能量与温度的关系

36、。 这两个实验所观测到的现象用当时已有的物理学理论无法进行合理的解释。正是这两朵的乌云，不久以后酿成了物理学中一场巨大的变革。 我们先来看看物理学的天空中这令人不安的第一朵“乌云”：光沿不同方向传播的速度是否相同？,（二）新课教学,1、高速世界的两个基本原理 经典力学的研究表明所有的机械波都必须通过介质才能传播。麦克斯韦的电磁场理论揭示了光就是电磁波。光既然是波，当时人们自然要想：传播光波的介质是什么呢？ 当时的物理学家假定这种介质叫做“以太”，整个宇宙空间都充满了“以太”，认为“以太”是非常稀薄，密度极小的、完全透明的、难以感觉到的介质。按照经典的波动理论，这种介质的弹力又是极其大的，光波才

37、会在里面有如此巨大的传播速度。是一种使人感到奇怪的介质。,思考：如果我们在静止的空气中快速前进，就会感觉到有风迎面吹来，为什么？ 因为虽然空气相对于地面是静止的，但空气相对于我们正在前进的人却是运动的。 地球是用30km/s的速度在宇宙中绕太阳运动的，如果“以太”这种介质充满了宇宙，也必然会有30km/s的“以太风”迎着地球吹来，我们能观测到这种“以太”风吗？,问题：宇宙中充满了传播光的介质“以太”，地球又在宇宙中运动，设光在“以太”中的传播速度为c，地球相对于“以太”运动的速度为v，那么当光的传播方向与地球的运动方向相同时，以地球为参照物时，会测得光的速度是多大呢？ u1=（c-v）,当光的

38、传播方向迎着地球的运动方向而来时，以地球为惯性参照物又会测得光速为多大呢？ 生：应该是u2=（c+v）,如果以地球做惯性参照物，不同方向的光（电磁波）的速度的确有不同的话，就说明麦克斯韦理论描述的电磁波各个方向速度相同的规律，只有在用“以太”为惯性参照物时才是适用的，在用地球这类相对于“以太”运动的物体做参照物时电磁波各个方向速度相同的规律就不适用了，就会导致“不同的惯性参照系中物理规律是不同的”这样一个结论。,美国物理学工作者迈克尔逊和莫雷在1881至1887年间在不断提高实验精确度的过程中，反复做了同一个实验：把仪器固定在地面上与地球一起运动，在光顺着地球运动方向传播、逆着地球运动方向传播

39、、以及光传播方向与地球运动方向垂直时，不同情况下测量光速的差异。令人惊异的实验结果是：以地球为惯性参照物时测得各个方向的光速没有差异。这个著名的实验后来物理学界把它叫做迈克尔逊莫雷实验。,【板书】迈克尔逊莫雷实验结果：以地球为惯性参照物时测得各个方向的光速没有超出实验误差范围的明显差异。 这样的实验结果，与经典的物理学理论产生了难以调和的矛盾，令人感到不安。怎么办？ 许多物理学工作者对迈克尔逊莫雷实验的结果提出了一些使人感到牵强的解释，无法从根本上解决问题。比如 “以太牵引说”、“洛仑兹收缩说”等。,爱因斯坦的办法：于1905年写了一篇论文提出了他的想法： 1、相对性原理：物理规律在一切惯性参

40、照系中都具有相同的形式。 2、光速不变原理：在一切惯性系中，测量到的真空中的光速c都一样。,2、时间延缓效应,问题：静止的观测者、顺着光速方向运动的观测者、逆着光速方向运动的观测者，光相对于他们通过的位移是不同的，测量到的光速却都是一样的，这是为什么呢？ 生猜想：可否认为不同的惯性参照系中测得的时间也是不相同的呢？观测者测得光通过的距离较长时，如果他测得的时间也较长，则光速有可能是一样的。 师：爱因斯坦也正是这么想的。,2、时间延缓效应,讨论：假定一辆列车以速度v相对于地面匀速运动，静止在车厢里的人手持一个光源，从车厢的地板竖直向上将一束光射向顶部的一面反射镜，然后又反射回车厢的地板。设车厢中

41、的顶部和地板之间的高度为d，则在车厢中以车厢为惯性参照物的观察者看来，“光在空中来回”的过程中，所测得的时间为t则光速是多大呢？（参看教学资料上的插图）,这个关系式很重要，我们虽然是从“光在空中来回”这一特殊事件中推导出来的，但在爱因斯坦在相对论中作了更复杂、更充分的推导认为它是一个对各种事件都普遍适用的公式。,例题：有一个实验事实：在宇宙射线中会产生一种微观粒子叫做子，在实验室中测算出它们静止时的平均寿命（存在时间）是=2.210-6秒，按照经典的时空观（时间是孤立的，与惯性参照物无关），子以接近光的速度运动（v=0.998c）时，在这段时间内子能飞过的平均路程只有：s=c=31082.21

42、0-6=660 m ， 然后子就会消失，可是对宇宙射线的大量观测却发现，大部分高速子能够从约10km的高空大气层到达海平面，这是为什么呢？可以用相对论来解释吗？,分析：假设有一辆列车和子一起速度v=0.998c运动，子相对于列车是静止的。因此，以列车为惯性参照物，测得子的寿命就是子静止时的寿命=2.210-6秒，而以地面做参照物时，子是运动的，地面上的钟测得其寿命将是： 在这段时间内子能飞过的平均路程有：s=c=31083.4810-5=10.44 km.,相对于光速c而言，通常的运动物体（如飞机、火箭），其速度v都远远小于光速c，时间延缓效应是可以忽略不计的。所以我们认为当物体的速度远远小于

43、光速时，经典物理学的时空观还是有效的，没有必要彻底抛弃。只有在物体高速运动时，经典物理学的时空观才不再适用了。 【板书】经典物理学时空观的局限性：只在低速（与光速相比较）条件下有效。,3、长度收缩效应,爱因斯坦在相对论中通过推导得出了： 运动惯性参照系上尺度缩短效应 注意：其实并不是车上尺子本身的长度真的发生了收缩，这是由于相对论的时空关系导致的结果。,例题：对于前面在时钟延缓效应中讨论过的例题，也可以从相对论的尺缩效应来看这个问题：被子穿越的大气层厚度约是10.44km，但如果以子为惯性参照物，则子是静止的，大气层在以v=0.998c的速度向子运动，所以以静止的子测得运动的大气层厚度只有：

44、所以，子可以穿过大气层到达海平面。,（三）小结：,五、案例心得,这个教学设计思想是在学生能够理解的前提下，解析狭义相对论基本思想的来龙去脉，这种做法是有必要而且也是可能实现的。 教学设计突出了相对论构建过程中问题与问题解决的分析，让学生体会到科学研究方法和尊重实验事实的科学态度对人们认识自然的重要作用。有利于淡化爱因斯坦及其相对论在学生心目中的神秘感，培养学生批判、创新的科学精神。 案例中的例题对学生而言可能有一定的难度，可以改为由教师边启发学生思考，边讲解。,在网络搜索中分别输入“物理学晴朗天空，漂浮着两朵令人不安的乌云。”、“迈克尔逊莫雷实验”、“以太”、 “相对性原理”、“光速不变原理”、 “时间延缓效应”、“尺度缩短效应”等关键词，可以从网上搜索到有关于相对论的知识信息，从中选择一些合适的内容作为学生的阅读材料。,望不吝赐教， 谢谢指导！,