《“同時(shí)”的相對(duì)性》導(dǎo)學(xué)案

《“同時(shí)”的相對(duì)性》導(dǎo)學(xué)案一、教材分析1、教材版本與章節(jié)我們使用的是粵教版高中選修34教材，今天要學(xué)習(xí)的內(nèi)容位于第五章相對(duì)論的第一節(jié)，主題是狹義相對(duì)論的基本原理之“同時(shí)”的相對(duì)性。2、教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)學(xué)生要理解“同時(shí)”的相對(duì)性概念。能夠解釋在不同參考系中，同時(shí)發(fā)生的事件可能會(huì)有不同的觀測(cè)結(jié)果。例如，在一個(gè)高速運(yùn)動(dòng)的參考系中觀察到同時(shí)發(fā)生的兩件事，在另一個(gè)相對(duì)靜止的參考系中可能不是同時(shí)發(fā)生的。掌握愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論中關(guān)于“同時(shí)”相對(duì)性的基本假設(shè)和相關(guān)公式（如果有簡(jiǎn)單公式的話，這里先簡(jiǎn)單提及，后續(xù)詳細(xì)講解）。能力目標(biāo)通過(guò)對(duì)“同時(shí)”相對(duì)性概念的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力。因?yàn)檫@個(gè)概念與我們?nèi)粘Ｉ钪械闹庇X(jué)有些相悖，學(xué)生需要運(yùn)用邏輯去理解和接受。提高學(xué)生的科學(xué)探究能力，讓學(xué)生學(xué)會(huì)從經(jīng)典物理的思維過(guò)渡到相對(duì)論的思維，能夠?qū)Σ煌瑓⒖枷迪碌奈锢憩F(xiàn)象進(jìn)行分析和推測(cè)。情感目標(biāo)激發(fā)學(xué)生對(duì)相對(duì)論這一偉大理論的興趣。相對(duì)論是現(xiàn)代物理學(xué)的基石之一，了解其基本原理可以讓學(xué)生感受到科學(xué)的魅力和人類智慧的偉大。培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度，讓學(xué)生明白科學(xué)是不斷發(fā)展的，即使是與直覺(jué)相悖的理論，只要經(jīng)過(guò)科學(xué)驗(yàn)證，就應(yīng)該被接受。3、教學(xué)重難點(diǎn)重點(diǎn)理解“同時(shí)”相對(duì)性的概念。這是狹義相對(duì)論基本原理的重要組成部分，是理解整個(gè)相對(duì)論體系的基礎(chǔ)。掌握“同時(shí)”相對(duì)性產(chǎn)生的原因。讓學(xué)生明白是由于光速不變?cè)硪约皡⒖枷档南鄬?duì)性等因素導(dǎo)致了“同時(shí)”相對(duì)性的產(chǎn)生。難點(diǎn)如何讓學(xué)生克服經(jīng)典物理思維的定式。在日常生活中，我們習(xí)慣了經(jīng)典物理的規(guī)律，而相對(duì)論中的概念與經(jīng)典物理有很大的差異，例如“同時(shí)”這個(gè)看似簡(jiǎn)單的概念在相對(duì)論中的新內(nèi)涵，學(xué)生很難一下子轉(zhuǎn)變思維方式。用簡(jiǎn)單易懂的方式解釋“同時(shí)”相對(duì)性的相關(guān)公式（如果有復(fù)雜公式的話）。確保學(xué)生能夠在理解概念的基礎(chǔ)上，對(duì)公式也有一定的掌握，而不是單純的死記硬背。二、教學(xué)方法1、講授法對(duì)于“同時(shí)”相對(duì)性這樣比較抽象的概念，教師首先要進(jìn)行清晰、準(zhǔn)確的講授。例如，教師可以通過(guò)講述愛(ài)因斯坦的思想實(shí)驗(yàn)，像火車閃電實(shí)驗(yàn)，來(lái)引入“同時(shí)”相對(duì)性的概念。在講解過(guò)程中，語(yǔ)言要生動(dòng)形象，避免過(guò)于晦澀的專業(yè)術(shù)語(yǔ)?？梢园岩恍└拍铑惐瘸缮钪械某Ｒ?jiàn)現(xiàn)象，比如把參考系類比成不同的觀察視角，就像從不同的樓層看同一場(chǎng)景會(huì)有不同的視覺(jué)效果一樣。2、討論法提出一些有爭(zhēng)議性或者需要深入思考的問(wèn)題讓學(xué)生進(jìn)行討論。例如，“如果在一個(gè)超高速的宇宙飛船中，如何判斷兩件事是否同時(shí)發(fā)生？”組織學(xué)生分組討論，每組可以有3~5名學(xué)生。每個(gè)小組要選出一名組長(zhǎng)，負(fù)責(zé)記錄小組成員的觀點(diǎn)和討論結(jié)果。討論結(jié)束后，每組派代表發(fā)言，分享他們小組的討論成果。3、多媒體演示法利用多媒體資源，如動(dòng)畫(huà)、視頻等，來(lái)直觀地展示“同時(shí)”相對(duì)性的現(xiàn)象。比如制作一個(gè)動(dòng)畫(huà)，展示在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的參考系中，光信號(hào)的傳播以及事件發(fā)生的順序。還可以通過(guò)播放一些科普視頻，如關(guān)于相對(duì)論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的視頻，讓學(xué)生更加深入地了解“同時(shí)”相對(duì)性在實(shí)際科學(xué)研究中的體現(xiàn)。三、教學(xué)過(guò)程1、導(dǎo)入新課（5分鐘）教師先講一個(gè)有趣的故事：“同學(xué)們，想象一下，在一個(gè)神奇的小鎮(zhèn)上，有兩個(gè)鐘樓，它們總是同時(shí)敲響鐘聲。有一天，一個(gè)超級(jí)快的火車從這個(gè)小鎮(zhèn)旁邊呼嘯而過(guò)，火車上的人看這兩個(gè)鐘樓的鐘聲敲響，卻發(fā)現(xiàn)它們不是同時(shí)敲響的。這是怎么回事呢？今天我們就來(lái)揭開(kāi)這個(gè)神秘的面紗，學(xué)習(xí)‘同時(shí)’的相對(duì)性。”這樣的故事導(dǎo)入可以激發(fā)學(xué)生的好奇心，讓他們想要了解為什么會(huì)出現(xiàn)這種違背日常直覺(jué)的現(xiàn)象。2、新課講授（30分鐘）“同時(shí)”相對(duì)性概念的引出（10分鐘）教師通過(guò)多媒體展示愛(ài)因斯坦的火車閃電實(shí)驗(yàn)。在一個(gè)勻速行駛的火車中間有一個(gè)觀察者，在火車兩端分別有閃電擊中。對(duì)于火車上的觀察者來(lái)說(shuō)，他會(huì)看到兩端閃電是同時(shí)擊中火車的；而對(duì)于站在地面上的觀察者，由于火車在向前行駛，他會(huì)看到火車前端的閃電先擊中火車。教師在講解過(guò)程中，要強(qiáng)調(diào)觀察者所在的參考系不同，看到的事件發(fā)生順序就可能不同。并且提問(wèn)學(xué)生：“為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的差異呢？”引導(dǎo)學(xué)生思考?！巴瑫r(shí)”相對(duì)性產(chǎn)生的原因（10分鐘）教師開(kāi)始講解“同時(shí)”相對(duì)性產(chǎn)生的原因。首先提到光速不變?cè)?，也就是在任何慣性參考系中，光在真空中的傳播速度都是恒定的，用“c”表示。結(jié)合火車閃電實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，由于光速不變，而火車在運(yùn)動(dòng)，所以不同參考系中的觀察者看到光傳播到自己的時(shí)間就會(huì)不同，從而導(dǎo)致對(duì)事件是否同時(shí)發(fā)生有不同的判斷。教師可以在黑板上簡(jiǎn)單畫(huà)一下光傳播的路徑圖（這里不用表格或者圖片，純文字描述），比如對(duì)于火車上的觀察者，光從兩端到中間的距離相等，光速相同，所以他認(rèn)為是同時(shí)的；而對(duì)于地面觀察者，火車前端的光傳播到他眼睛的距離比后端的光傳播的距離短（因?yàn)榛疖囋谙蚯斑\(yùn)動(dòng)），而光速不變，所以他看到前端先亮。教師還可以再舉一些簡(jiǎn)單的例子，比如在一個(gè)高速飛行的飛機(jī)內(nèi)部和地面上分別觀察飛機(jī)內(nèi)兩個(gè)燈泡的點(diǎn)亮順序，讓學(xué)生進(jìn)一步理解。相關(guān)公式（如果有簡(jiǎn)單的相關(guān)公式的話）（10分鐘）如果教材中有關(guān)于“同時(shí)”相對(duì)性的簡(jiǎn)單公式，教師要進(jìn)行詳細(xì)的推導(dǎo)和講解。例如，假設(shè)兩個(gè)事件在一個(gè)參考系中的時(shí)空坐標(biāo)分別為(x_1,t_1)和(x_2,t_2)，在另一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的參考系中的時(shí)空坐標(biāo)為(x_1',t_1')和(x_2',t_2')，它們之間可能存在這樣的關(guān)系（這里只是假設(shè)簡(jiǎn)單公式示例）：t_1'-t_2'=\frac{(x_2-x_1)v/c^2}{\sqrt{1-v^2/c^2}}，其中“v”是兩個(gè)參考系的相對(duì)速度。教師要一步一步地推導(dǎo)這個(gè)公式，解釋每個(gè)符號(hào)的含義。先從最基本的時(shí)間、空間和速度的關(guān)系入手，結(jié)合前面講的光速不變?cè)砗蛥⒖枷档南鄬?duì)性，讓學(xué)生明白這個(gè)公式是如何得出的。在推導(dǎo)過(guò)程中，要不斷地問(wèn)學(xué)生是否理解，鼓勵(lì)學(xué)生提問(wèn)。3、課堂練習(xí)（20分鐘）教師給出一些關(guān)于“同時(shí)”相對(duì)性的練習(xí)題。例如：“在一艘以0.6c（這里的“c”是光速）速度飛行的宇宙飛船中，飛船內(nèi)有兩個(gè)相距10米的信號(hào)燈同時(shí)亮起，從地面上觀察，這兩個(gè)信號(hào)燈亮起的時(shí)間間隔是多少？”讓學(xué)生在練習(xí)本上進(jìn)行解答，教師巡視教室，觀察學(xué)生的解題情況。對(duì)于有困難的學(xué)生，教師可以進(jìn)行個(gè)別指導(dǎo)。練習(xí)題答案：首先根據(jù)公式（假設(shè)的公式類似上面提到的那種），已知x_2-x_1=10米，v=0.6c，c為光速。代入公式計(jì)算可得（這里省略詳細(xì)計(jì)算過(guò)程）：t_1'-t_2'=\frac{(10\times0.6c/c^2)}{\sqrt{1-0.6^2}}，最后得出具體的時(shí)間間隔數(shù)值。4、課堂討論（15分鐘）教師提出一些討論話題，如“‘同時(shí)’的相對(duì)性對(duì)我們的日常生活有什么影響？”“如果未來(lái)人類能夠進(jìn)行高速的星際旅行，‘同時(shí)’的相對(duì)性會(huì)帶來(lái)哪些有趣的現(xiàn)象？”讓學(xué)生分組進(jìn)行討論，每個(gè)小組根據(jù)之前所學(xué)的知識(shí)和自己的理解進(jìn)行交流。討論結(jié)束后，每組派代表發(fā)言。教師對(duì)學(xué)生的發(fā)言進(jìn)行總結(jié)和點(diǎn)評(píng)，對(duì)于正確的觀點(diǎn)給予肯定，對(duì)于存在偏差的觀點(diǎn)進(jìn)行糾正，并補(bǔ)充一些學(xué)生沒(méi)有提到的重要內(nèi)容。5、課堂小結(jié)（10分鐘）教師和學(xué)生一起回顧本節(jié)課的主要內(nèi)容。教師提問(wèn)：“今天我們學(xué)習(xí)了什么重要的概念？”引導(dǎo)學(xué)生回答“同時(shí)”的相對(duì)性。再問(wèn)：“‘同時(shí)’相對(duì)性產(chǎn)生的原因是什么？”讓學(xué)生回顧光速不變?cè)砗蛥⒖枷档南鄬?duì)性等知識(shí)點(diǎn)。最后問(wèn)：“關(guān)于‘同時(shí)’相對(duì)性我們學(xué)習(xí)了哪些公式（如果有），它們的意義是什么？”教師對(duì)學(xué)生的回答進(jìn)行補(bǔ)充和完善，強(qiáng)調(diào)本節(jié)課的重點(diǎn)知識(shí)，如“同時(shí)”相對(duì)性概念的理解和產(chǎn)生原因的掌握。6、布置作業(yè)（5分鐘）布置一些課后作業(yè)，作業(yè)分為基礎(chǔ)題和拓展題。基礎(chǔ)題：“在一個(gè)以0.8c速度行駛的列車上，列車長(zhǎng)度為200米，車頭和車尾同時(shí)發(fā)出一道光，在地面上的觀察者看到這兩道光到達(dá)列車中點(diǎn)的時(shí)間差是多少？”拓展題：“查閱資料，了解歷史上有哪些實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了‘同時(shí)’的相對(duì)性，寫(xiě)一篇300~500字的小短文介紹這些實(shí)驗(yàn)。”四、教學(xué)反思在教學(xué)過(guò)程中，要關(guān)注學(xué)