《一近代物理學(xué)的奠基人和革命者》教學(xué)設(shè)計(jì)(浙江省省級(jí)優(yōu)課)x-物理教案

《近代物理學(xué)的奠基人和革命者》教學(xué)設(shè)計(jì)一、課標(biāo)要求：了解經(jīng)典力學(xué)的主要內(nèi)容，認(rèn)識(shí)其在近代自然科學(xué)理論發(fā)展中的歷史地位。知道相對(duì)論的主要內(nèi)容，認(rèn)識(shí)其意義。二、教學(xué)目標(biāo)：（1）知識(shí)與能力：了解經(jīng)典力學(xué)的三大定律、相對(duì)論等基礎(chǔ)知識(shí)。牛頓、愛因斯坦等著名科學(xué)家的主要事跡，學(xué)會(huì)觀察，培養(yǎng)敏銳的洞察力。理解科學(xué)進(jìn)步中繼承與發(fā)展的關(guān)系。（2）過程與方法：在學(xué)習(xí)過程中通過合作、探究學(xué)習(xí)，培養(yǎng)分析解決問題的能力及交流與合作的能力?？茖W(xué)的方法。全面提高科學(xué)素質(zhì)，創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。學(xué)會(huì)運(yùn)用閱讀法、討論法、推理法、概括法、實(shí)驗(yàn)法等來學(xué)習(xí)了解近代物理學(xué)的相關(guān)問題。（3）情感態(tài)度與價(jià)值觀：通過學(xué)習(xí)，了解科學(xué)家為科學(xué)進(jìn)步所作出的努力。學(xué)習(xí)他們?yōu)榭茖W(xué)獻(xiàn)身的精神；形成科學(xué)的態(tài)度。知道在科學(xué)的道路上荊棘遍布，增強(qiáng)面對(duì)挫折的能力。增強(qiáng)毅力，敢于質(zhì)疑權(quán)威，樹立勇往直前、持之以恒的精神。三、學(xué)情分析：高一學(xué)生較少會(huì)用歷史的眼光發(fā)現(xiàn)問題、提出問題甚至分析問題，對(duì)大部分同學(xué)來說，還是停留在淺層次記憶歷史結(jié)論的階段。學(xué)生在初中教學(xué)中已涉及過牛頓、愛因斯坦，但僅停留在人物層面，對(duì)知識(shí)的內(nèi)涵以及知識(shí)間的邏輯關(guān)系還是比較陌生。需要教師通過展示相應(yīng)的歷史材料、圖片以及設(shè)置一系列有啟發(fā)性的問題，幫助學(xué)生進(jìn)入歷史現(xiàn)場，感知科學(xué)的內(nèi)涵，科學(xué)家的精神，和科學(xué)在傳承中發(fā)展、創(chuàng)新。四、重難點(diǎn)：重點(diǎn)：伽利略對(duì)物理學(xué)發(fā)展的重大貢獻(xiàn)；經(jīng)典力學(xué)的建立；相對(duì)論的提出難點(diǎn)：物理學(xué)各階段發(fā)展的原因；對(duì)科學(xué)發(fā)展中繼承、創(chuàng)新的理解。五、教學(xué)過程：導(dǎo)入：師：請(qǐng)大家看兩幅圖片，從圖片上得出什么信息？生：牛頓和上帝一樣，彎著腰，用圓規(guī)在畫東西師：牛頓在做上帝做的事情。為什么在藝術(shù)家的眼中牛頓和上帝一樣，能做和上帝一樣的事情？走進(jìn)近代物理學(xué)的奠基人和革命者。講到物理學(xué)，我們就要講到物理學(xué)的開創(chuàng)者亞里士多德。亞里士多德在力學(xué)上的觀點(diǎn)是：有力則動(dòng)，無力則靜；重的物體比輕的物體下落的快。在沒有學(xué)習(xí)物理學(xué)的前提下，這符合我們的經(jīng)驗(yàn)、直觀感受。所以當(dāng)時(shí)的人們一直把這樣的觀點(diǎn)奉為經(jīng)典，持續(xù)了1900年的時(shí)間里，在中世紀(jì)更被教會(huì)奉為教條。但這些在當(dāng)時(shí)被奉為經(jīng)典的觀點(diǎn)，被近代科學(xué)家伽利略（板書）提出了質(zhì)疑和批駁。材料：伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)推理方法，是人類思想史上最偉大的成就之一，標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端?！獝垡蛩固归喿x書本，伽利略的發(fā)現(xiàn)是什么？生：運(yùn)動(dòng)的物體不受阻礙，它將保持不變的持續(xù)運(yùn)動(dòng)下去。創(chuàng)立了自由落體定律：物體不受阻力，輕重物體自由下落的速度是相同的，即重力加速度相同。師：這些觀點(diǎn)否定了亞里士多德的力學(xué)觀，可以說是對(duì)亞里士多德力學(xué)觀點(diǎn)的一次革命！革命者！那伽利略是用什么方法得出這些觀點(diǎn)的呢？生：科學(xué)推理：觀察、實(shí)驗(yàn)、推理。師：正是這些科學(xué)的方法，開創(chuàng)了以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為根據(jù)的近代科學(xué)；愛因斯坦稱他標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端，開端就是指實(shí)驗(yàn)的科學(xué)方法，為經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)立奠定了基礎(chǔ)。所以伽利略也成了近代物理學(xué)的奠基人。非常的巧合，伽利略逝世，牛頓出生。有了伽利略的奠基，牛頓通過定量實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出了慣性定律和加速度定律。所以牛頓謙虛的說，如果說我看得遠(yuǎn)，那是因?yàn)槲艺驹诰奕说募缟?。那牛頓還有哪些成就是站在巨人的肩上取得的？生：笛卡爾的基礎(chǔ)上，總結(jié)了總用力和反作用力定律，在開普勒等人關(guān)于天體力學(xué)的成功，并利用自己的微積分，導(dǎo)出了萬有引力定律。師：牛頓的三定律在前人的基礎(chǔ)上對(duì)力學(xué)做了總結(jié)，三大定律構(gòu)成了近代力學(xué)體系的基礎(chǔ)，近代物理學(xué)的支柱。萬有引力定律，指萬物之間是有引力的，只不過是大小的問題，適用于一切天體和宇宙中的所以物體。所以牛頓把人們之前一直無法解釋的天文學(xué)中的力學(xué)做出了詮釋，形成了統(tǒng)一的力學(xué)體系——經(jīng)典力學(xué)體系（板書）。這里的經(jīng)典是指近代的意思。是針對(duì)后面的現(xiàn)代力學(xué)而言的。牛頓力學(xué)體系對(duì)自然界的力學(xué)現(xiàn)象做了系統(tǒng)合理的說明，從而完成了人類對(duì)自然界認(rèn)識(shí)史上的第一次理論大綜合。所以，在藝術(shù)家筆下的牛頓像神一樣在制定宇宙規(guī)律。牛頓把這些宇宙規(guī)律總結(jié)在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中。為什么叫《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，因?yàn)樵谶@本著作中，牛頓用數(shù)學(xué)的表達(dá)方式，把前人的理論加以科學(xué)整理。材料：牛頓是唯一能將理論，實(shí)驗(yàn)，數(shù)學(xué)完美結(jié)合的人——愛因斯坦在這本書中牛頓用了實(shí)驗(yàn)、歸納、演繹的方法研究自然。用數(shù)學(xué)的表達(dá)方式描述自然，而用實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)作為兩大特征，也是近代科學(xué)誕生的標(biāo)志。為什么是自然哲學(xué)？自然哲學(xué)是對(duì)自然科學(xué)的泛稱，以前的人把自然界作為一個(gè)整體，作為哲學(xué)的研究對(duì)象，所以沿用了以前的說法。牛頓著作的發(fā)表，標(biāo)志著經(jīng)典力學(xué)的誕生。除了牛頓個(gè)人的努力和研究和努力外，是什么樣的土壤孕育出經(jīng)典力學(xué)的？這也就是經(jīng)典力學(xué)誕生的時(shí)代背景？材料：文藝復(fù)興時(shí)期的人是一個(gè)偉大的奇跡，它可以利用自然力，可以丈量大地和天空......沒有任何東西可以限制他的活動(dòng)。----《意大利文學(xué)史》生：文藝復(fù)興把人從宗教束縛中解放出來，批判神權(quán)統(tǒng)治，鼓吹人性解放和思想自由，彰顯了人的力量；出現(xiàn)了許多科學(xué)領(lǐng)域的人才和天文學(xué)力學(xué)上經(jīng)驗(yàn)的積累；把科學(xué)從神學(xué)中解放出來，營造了科學(xué)研究寬松的社會(huì)環(huán)境和人文環(huán)境。新航路的開辟，促進(jìn)了資本主義經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，證明了“地圓說”的科學(xué)性，對(duì)自然科學(xué)的發(fā)展和全新宇宙觀的形成有重要意義；直接沖擊了神學(xué)理論，打擊了教會(huì)的權(quán)威；證明了人具有認(rèn)識(shí)自然界的偉大力量；把人的注意力轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實(shí)世界中來，激發(fā)了人們探索科學(xué)的熱忱，自然科學(xué)研究成果不斷涌現(xiàn)。師：所以，有人說，這是一個(gè)發(fā)現(xiàn)世界和發(fā)現(xiàn)人的時(shí)代，隨著對(duì)人、對(duì)世界的深入了解，對(duì)宇宙規(guī)律的也有了更深刻的認(rèn)識(shí)。所以在藝術(shù)家筆下的牛頓像神一樣在制定宇宙規(guī)律，應(yīng)該發(fā)現(xiàn)、認(rèn)識(shí)規(guī)律，而不可能去制定規(guī)律。所以在藝術(shù)家筆下，牛頓為什么像神一樣？實(shí)際是他的高度評(píng)價(jià)和肯定?？隙ㄋ膫ゴ髢r(jià)值及帶來的深遠(yuǎn)影響。結(jié)合材料，說說牛頓創(chuàng)立經(jīng)典力學(xué)的影響。材料：牛頓以他對(duì)天地萬物的寥寥數(shù)條規(guī)律的精美絕倫的概括，彰顯了人的理性的偉大，暴露了宗教非理性主義的荒謬?！妒澜缥拿魇贰放ｎD發(fā)現(xiàn)了一個(gè)基本的宇宙的法則……既然自然界有一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)律，那么人類社會(huì)也決不會(huì)例外。啟蒙思想家們力圖發(fā)現(xiàn)支配人事和社會(huì)的永恒的法則。——《世界文明史》生：牛頓的成就彰顯了人文精神和理性精神，打擊了宗教神權(quán)，使科學(xué)擺脫了神學(xué)的束縛，進(jìn)入了飛速發(fā)展的時(shí)代。而這樣的理性精神和宇宙法則，進(jìn)一步被推廣到人類社會(huì)中，自然規(guī)律是可以認(rèn)識(shí)的，那么人類社會(huì)也有支配其發(fā)展進(jìn)步的永恒法則；極大地解放了人們的思想，推著啟蒙思想的發(fā)展；牛頓的科學(xué)理論為工業(yè)革命中的機(jī)器制造提供了理論依據(jù)，間接推動(dòng)了生產(chǎn)力的發(fā)展和工業(yè)革命的開展。師：牛頓的觀點(diǎn)是對(duì)自然界規(guī)律的系統(tǒng)總結(jié)，彰顯了人的偉大和科學(xué)的力量。那牛頓的經(jīng)典力學(xué)是永恒的經(jīng)典嗎？17世紀(jì)牛頓的經(jīng)典力學(xué)產(chǎn)生，的確成為了經(jīng)典。在此后的將近200年間，日趨成熟和完善，使人類對(duì)自然界和自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)達(dá)到前所未有的深度和廣度。所以到了20世紀(jì)初，物理學(xué)家開爾文就說了科學(xué)的大廈已經(jīng)基本完成，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了……真的是像他說的物理學(xué)的大廈已近建成了嗎？開爾文還是個(gè)很有遠(yuǎn)見的物理學(xué)家，他又說道：晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令人不安的烏云……烏云遮住了太陽，說明物理學(xué)存在著危機(jī)！那這兩朵烏云是什么呢？我們看材料，是熱和光都是運(yùn)動(dòng)的方式，熱的運(yùn)動(dòng)就是熱的傳遞，是我們看不見的，是微觀領(lǐng)域；光的運(yùn)動(dòng)，光速是很快的，是高速領(lǐng)域。經(jīng)典力學(xué)無法解釋這些問題，因?yàn)榻?jīng)典力學(xué)研究的是人們?nèi)粘Ｉ钪械奈锢憩F(xiàn)象。因?yàn)榻?jīng)典力學(xué)太強(qiáng)大了，沒有人敢輕易挑戰(zhàn)物理學(xué)的權(quán)威。當(dāng)大家還只在對(duì)經(jīng)典力學(xué)修修補(bǔ)補(bǔ)的時(shí)候，有人卻發(fā)起了大膽的革命：1900年底，普朗克就提出了量子概念，并在隨后的30年中，眾多科學(xué)家發(fā)展完善了量子理論。解決了第一個(gè)經(jīng)典力學(xué)無法解決的微觀問題。同樣的，愛因斯坦創(chuàng)立了相對(duì)論，解決了經(jīng)典力學(xué)無法解決的高速問題。這兩大理論成為了現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石，也成為了驅(qū)走兩朵烏云的太陽。我們接下來看看驅(qū)散第二朵烏云的太陽。1905年，愛因斯坦發(fā)表了《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》，創(chuàng)立了狹義相對(duì)論。閱讀書本，愛因斯坦提出了什么觀點(diǎn)？生：時(shí)空相對(duì)，會(huì)隨物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度而變化。師：兩個(gè)關(guān)鍵詞：時(shí)空相對(duì)、物質(zhì)運(yùn)動(dòng)。結(jié)合狹義相對(duì)輪的觀點(diǎn)，回答少年時(shí)期愛因斯坦的設(shè)想。材料：如果我能跑的跟光一樣快，那會(huì)出現(xiàn)什么情況呢？光會(huì)不會(huì)看起來是靜止的呢？——少年愛因斯坦如果牛頓會(huì)怎么回答？如果是愛因斯坦會(huì)怎么回答？牛頓是日常生活中的物理現(xiàn)象，愛因斯坦在研究物體的高速運(yùn)動(dòng)。生：牛：沒有這樣的問題，因?yàn)槿瞬豢赡芘艿南駮r(shí)間那么快。時(shí)間空間就在那里，是孤立的，絕對(duì)的，和物體的運(yùn)動(dòng)沒有關(guān)系愛：時(shí)空會(huì)靜止，時(shí)空相對(duì)，會(huì)隨物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度而變化，一樣快就是靜止的，不一樣快就是運(yùn)動(dòng)的，和物體的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。師：為什么會(huì)有不同的觀點(diǎn)，因?yàn)樗麄兊难芯繉?duì)象不一樣：牛頓：宏觀物體低速運(yùn)動(dòng)；愛：物體高速運(yùn)動(dòng)不一樣的觀點(diǎn)，是否就意味著愛因斯坦相對(duì)論的創(chuàng)立是不是意味著牛頓力學(xué)的消亡？生：相對(duì)論發(fā)展和概括了牛頓力學(xué)師：物體包括宏觀和微觀，低速是高速可以轉(zhuǎn)化的一種特殊狀態(tài)，所以正確的表達(dá)方式：愛因斯坦不僅變革了牛頓的絕對(duì)力學(xué)和時(shí)空觀，還對(duì)自己的理論進(jìn)一步擴(kuò)充和發(fā)展。1916年，愛因斯坦建立了廣義相對(duì)論。什么是廣義相對(duì)論？閱讀書本。生：物質(zhì)存在的現(xiàn)實(shí)空間不是平坦的，而是彎曲的，空間結(jié)構(gòu)取決于物質(zhì)的質(zhì)量，空間的彎曲程度體現(xiàn)為引力場強(qiáng)度。師：概念有三個(gè)關(guān)鍵詞：時(shí)空彎曲、物質(zhì)質(zhì)量、引力場，我們可以打個(gè)比方：不同物體的質(zhì)量在同一個(gè)平面里，質(zhì)量越大，空間的彎曲程度越大，引力場強(qiáng)度也就越強(qiáng)。說明時(shí)空和物質(zhì)的質(zhì)量相聯(lián)系。空間彎曲：物質(zhì)質(zhì)量大，使空間發(fā)生了彎曲，運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)被彎曲的空間所吸引，沿著彎曲的空間運(yùn)動(dòng)，越來越接近中間的物質(zhì)。時(shí)間彎曲：用光來表示時(shí)間，因?yàn)槲覀儗?duì)時(shí)間的感知就是來源于光。星光照到地球，本來是筆直的，太陽的質(zhì)量很大，而光具有波粒二象性，光是粒子組成的，被太陽吸引，也發(fā)生了彎曲。愛因斯坦揭示了全新的時(shí)空觀、運(yùn)動(dòng)觀和物質(zhì)觀。他的觀點(diǎn)顛覆了人們的思維，能懂的人少之又少。但根據(jù)愛因斯坦的理論，預(yù)言星光發(fā)生偏轉(zhuǎn)，得到證實(shí)。材料：1919年5月，英國派出了兩支遠(yuǎn)征隊(duì)分赴非洲和南美觀察日全食。拍攝到的兩張重疊的底片上清晰地看到一條筆直的星光在穿過陰影中的太陽時(shí)，竟然發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角是1.7秒。——摘編自阿爾布雷希特·弗爾辛《愛因斯坦傳》證明了理論的科學(xué)性、真實(shí)性。人們不得不承認(rèn)相對(duì)論是正確的。愛因斯坦革命性的物理學(xué)觀點(diǎn)，獲得了同時(shí)期物理學(xué)家朗之萬的稱贊：材料：這一時(shí)代的物理學(xué)史中，（愛因斯坦）的地位將在最前列。他現(xiàn)在是并且將來也還是人類宇宙中有頭等光輝的一顆巨星……因?yàn)樗麑?duì)于科學(xué)的貢獻(xiàn)更深入到人類思想基本概念的結(jié)構(gòu)中?！▏锢韺W(xué)家朗之萬結(jié)合材料，談?wù)勏鄬?duì)論創(chuàng)立的意義。是人類思想發(fā)展史上中的一次根本性變革，對(duì)整個(gè)自然科學(xué)和哲學(xué)都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。把我們對(duì)自然規(guī)律的探索從普通世界深入到宏觀宇宙空間；打破了經(jīng)典物理學(xué)當(dāng)