量子世界
【教材分析】
本节为《普通高中物理课程标准》共同必修模块“物理2”中第六章第2节的内容。本节“量子世界”从热辐射的规律入手，提示经典物理学理论与实验结果的严重背离，阐述普朗克的“量子假说”，初步认识玻尔理论的重要意义，同时让学生认识光的粒子性和波动性。通过实例，初步了解微观世界的量子化现象。
【学情分析】
本节学习内容是学生已通过一年的物理学习的最后一节内容，可能会出现学习不够重视、不够认真的局面。关键是本节内容也比较抽象，相关知识网又没有建立，所以本节内容的讲述和学习可能会流于形式。为了让学生引起兴趣，所以必须补充一些科学发展史。
【教学目标】
1、知识与技能目标
初步了解普朗克“量子假说”的背景，体会经典力学的局限性。知道普朗克“量子假说”的主要内容。
初步了解爱因斯坦“光量子说”的含义，了解光的微粒说与波动说之争，知道光具有波粒二象性。
2、过程与方法目标
认识到发展问题和提出问题的意义，认识到在科学理论建立过程中猜想和假设的重要性，以及科学争论和自由争鸣对科学发展所起的作用，培养学生的质疑能力和相像能力。
能尝试运用物理原理和研究方法解决一些相关的实际问题，培养解决实际问题的能力。
3、情感态度与价值观目标
领略到自然界的奇妙与和谐，发展学生对科学的发奇心与求知欲。体会辩论和质疑在科学研究中所起的积极作用。
养成敢于发表自己观点，既坚持原则又尊重他人的良好习惯。培养有根据的怀疑精神和批判意识，敢于坚持真理、勇于创新和实事求是的科学态度和科学精神以及判断大众传媒等有关信息是否科学的意识。
【重点难点】
教学重点：初步建立量子化的概念。
教学难点：物质的波粒二象性概念。
【教学方法】
通过自主学习和交流讨论的方式、上网查阅有关资料、教师讲授法结合。
【教学建议】
1、本节从世纪之交经典物理学无法解释“黑体辐射实验”的“紫外灾难”，引出普朗克的“量子假说”产生的历史背景，体会物理问题的研究往往是从模型的建立和假说入手。教学中可让学生通过自主学习和交流讨论的方式，完成对学习过程的体验。
2、认识科学问题的研究总是经历：提出问题→猜想假设→实践论证→修改理论……最终提示自然规律的过程。
3、关于光的波动性、粒子性及量子理论初步等内容的教学，应强调科学真理发现的道路并不平坦，需要一个漫长的过程；学习中应认真体会辩论和质疑在科学研究中所起的积极作用，通过典型的实例让学生充分认识量子理论的发展如何推动现代科学技术的迅猛发展，理解科学对技术发展的促进作用。
4、教学中要充分利用物理学史知识，围绕核心问题、展开师生之间的交流互动。教师不要局限于教材，可以根据学生的实际情况，做到用教材而不是教教材。充分利用多煤体教学手段，提高学生学习的兴趣和学习效率。
5、由于本节知识带有科普性质，所以无论是补充的内容还是原来课本的内容，都不宜也不可能讲得很深，尽可能把抽象问题形象化，能达到学生有一定的继续学习的兴趣即可。
【教学过程】
让学生阅读全文，允许学生互相讨论交流，并提出问题。（约20分钟）
对学生提出的问题做出正面的回答，尽可能把抽象问题形象化。（至少20分钟）
预计且建议可补充的内容有：
a：关于黑体的相关知识；
b：光的本性发展简史；
c：光电效应；
d：能级的相关知识；
e：课程资源：
1、普朗克及其对物理学的贡献
2、光电效应和爱因斯坦光量子理论
光电效应的规律
(2)经典物理理论对光电效应解释的困难
(3)爱因斯坦光子说及其对光电效应的圆满解释
3、玻尔对原子结构学说的贡献
4、光的本性——光的波动说和微粒学之争
5、德布罗意的物质波观点
本教案设计过程简单，只是给出一个授课过程的框架性建议，以及一些补充建议，实在不是本人想偷工减料,只是因为教材处理灵活，至于要补充什么，第一课时讲到哪里，相信每个教师都有自己的特点及学情，不应受到束缚。从这点意义上讲，这样的教案设计或许符合课改的精神吧？《量子世界》教案
一．教学目标：
1、初步了解经典物理观点被量子观点取代的原因，及一些科学家在其中所起的重要作用。从而了解量子论的主要思想，了解量子论涉及的一些相关的现象。
2、认识经典力学的适用范围和局限性，知道量子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。
重点和难点：
重点：通过指导学生研习，了解经典物理在热辐射研究领域中面临的困境，从而了解微观世界的量子化现象，了解量子论的思想。难点：弄清经典物理学与黑体辐射等实验结果矛盾的具体表现。
二、教学案例设计：
（一）引入新课
师：通过前面的学习，我们知道在19世纪与20世纪之交（1900年前后），许多人认为物理学这座庄严雄伟、动人心弦的科学殿堂已经基本建成了。只是“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”是什么同学们能说说吗？
生：这两朵“乌云”是：1、迈克尔逊—莫雷实验：研究光沿不同方向传播速度的差异。2、热辐射实验：研究热辐射的能量与温度的关系。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。
师：这两朵“乌云”给物理学的发展带来了什么影响？
生1：正是这两朵的乌云，后来酿成了物理学中一场巨大的变革。
生2：在研究第一朵“乌云”后爱因斯坦了开创了相对论。
师：好，现在我们再来看看当年物理学的天空中这令人不安的第二朵“乌云”：热辐射的能量与温度的关系有什么规律？
（二）【板书】量子世界：
【板书】一、“紫外灾难”
师：我们知道，燃烧的物体都会发光，后来人们发现那是因为燃烧使物体温度升高的缘故。同学们能不能举出一些高温物体发光的例子呢？
生：烧红的铁块、通电后的白炽灯里高温的灯丝、火山口流出的高温岩浆、……
师：白炽灯里的灯丝在正常发光时有没有在燃烧呢？
生：没有，否则灯丝就烧断了。
师：我们来做一个实验。
【实验观察一】通过调压器给白炽灯通电，逐渐增大电压，让学生观察灯丝亮度和颜色的变化。并请学生感受灯的热辐射的变化。（如果有条件也可以将这个实验设计成一个观察性的学生的分组实验）
（学生们几个人一组进行观察、讨论和交流，教师巡视，并参与小组探讨，几分钟后）
师：通过实验观察一，同学们想一想，金属灯丝的温度与灯两端所加的电压有什么关系？你所感觉到的金属灯丝热辐射的强度与灯丝的温度有什么关系？金属灯丝辐射光的颜色与灯丝的温度有什么关系
生1：灯两端加的电压越大，通过灯的电流也越大，灯丝发的热功率越大，灯丝的温度就越高。
生2：金属灯丝的温度越高我们感觉到金属灯丝的热辐射就越强。
生3：金属灯丝的温度越高，金属灯丝辐射的光颜色就越白，温度越低，灯光就偏红色。
师：对，我们看到的光其实是金属中的原子在高温下受到激发而发出的电磁波，能引起人们视觉的电磁波就是可见光。通过研究发现不同颜色的光，波长是不同的。灯光变白是因为它发出的各种波长的电磁波中波长短电磁波变得更强了，灯光较红是因为它发出的电磁波中波长短的较弱，而波长长的电磁波相对较强的缘故。
【板书】温度高→灯光白→短波长光较强；
温度低→灯光较红→短波长光较弱，长波长光相对较强。
把电丝两端的电压调得很小，使灯丝不发光，这时金属灯丝有没有热辐射呢？
【实验观察二】把一金属块挂在酒精灯上烧，在没有烧红之前移去酒精灯，然后用手靠近金属块，感受它的热辐射。
（学生们几个人一组进行实验观察、讨论和交流，教师巡视，并参与小组探讨，几分钟后）
通过实验观察二，同学们定性地说一说，如果金属温度并没有升高到使金属发光的程度，这时有没有热辐射呢？
生：有。
师：对，这时金属温度不高，其中的原子发出的电磁波波长较长，不能引起人眼的视觉，所以我们没有看到它发光，但我们仍然可以感觉到它的热辐射。人们用更精确的观测仪器发现，其实任何温度的物体都有热辐射，只是常温和低温的物体热辐射较弱，辐射的电磁波波长较长，难被我们的身体直接感觉到。这种常温和低温物体辐射的电磁波波长比红光还长，称为红外线，可以用一些特殊的仪器探测到。同学们有没有见过在没有可见光的黑暗中利用红外线感光拍摄到的照片呢？
【演示】课前收集到和各种红外线感光照片。
【板书】物体中的分子、原子在任何温度下都会发射出各种波长的电磁波，这种现象称为热辐射。
师：一般的物体不但会发出热辐射，也会吸收和反射从别的物体射来的热辐射。为了进一步研究物体的热辐射强度的定量规律，物理学家们设想了一种理想的物体：能够发射热辐射，也能完全吸收热辐射，但是完全不反射任何热辐射的物体，叫做黑体。
炼钢炉炉膛上开的观察小孔就是可以看成是一个黑体。在炉膛是冷的时，这个小孔是黑洞洞的，通过小孔射入其中的光和各种电磁辐射完全被炉膛中吸收掉了，没有任何辐射被反射回来。当炉膛中的温度很高时，这个小孔就会有很强的热辐射发射出来。
通过精确的实验观测，发现黑体热辐射强度与温度和波长都有关系，可以把某一温度下测得各种波长的辐射强度的实验数据描绘成如右图所示的曲线。从曲线可以看出，不同的温度下热辐射的强弱有什么变化呢？热辐射的波长又有什么变化呢？
（学生们几个人一组进行分析讨论和交流，教师巡视，
并参与小组探讨，几分钟后）
生1：可以看出温度越高，热辐强度越大。
生2：在同一温度下，不同波长的电磁辐射强度不同，
有某一种波长的电磁辐射最强。
生3：温度越高，辐射最强的电磁波波长变短。
【板书】黑体温度越高，热辐强度越大；
在同一温度下，不同波长的电磁辐射强度不同，有某一种波长的电磁辐射最强；
温度越高，辐射最强的电磁波波长变短。
师：这个规律与我们前面观察到的高温的金属灯丝光辐射的规律是类似的。是吗？
生1：是的。
生2：为什么要定义黑体呢？直接研究灯丝等物体的辐射不行吗？
师：这个问题提得好，这是因为一般的物体会反射别的物体的辐射，这样观测到的就不全是这个物体本身辐射的能量了。
生：噢，原来是要观测物体本身的热辐射规律。
师：右上图中是一条奇妙的曲线，黑体的热辐射为什么会有这样的规律呢？许多物理学家根据经典物理学的理论进行分析，试图从当时经典的物理学理论中推导出一个描述黑体辐射规律的公式，比较著名的有两个用不同方法推导出的公式：一个是维恩公式还有一个是瑞利-琼斯公式，
【板书】维恩公式：
瑞利-琼斯公式：
但是这用两个公式算出各种同波长的辐射强度，都与实验观测到的结果不完全符合。维恩公式算得的结果在短波区域与实验较吻合，但长波区域与实验结果偏差较大；而瑞利-琼斯公式算得的结果则在长波区域与实验较吻合，在短波区域却与实验结果相差较大，更糟的是瑞利-琼斯公式算得随着波长变短即辐射在紫外波长区域时，辐射强度会变成无限大，但实验测得在波长很短的紫外区域的辐射强度却是趋于零。当时科学界称其为“紫外灾难”，这就是第二朵“乌云”的由来。面对这样令人不安局面，同学们想想看，怎么办呢？
生：维恩公式和瑞利-琼斯公式是怎么推导的呀？会不会是推导错了呢？
师：由于我们的物理知识不够，所以暂时没有办法了解他们公式推导的过程和方法，不过当时的确有不少的物理学家按照经典的物理学原理对推导过程做过各种修正，但总是顾此失彼无法得到能与实验结果完全吻合的公式。后来德国的物理学家普朗克，经过长时间的研究，在百思不得其解的困境中，迫不得已做了一个大胆的假设，他发现只有做这个假设，得到的公式才会与实验结果完全吻合。这个假设在今天看起来具有划时代的意义，叫做量子假说。认为物质辐射或吸收能量不是经典物理理论中认识的那种可以任意大小连续不断的。而是不连续的、一份一份的，物质辐射或吸收的能量只能是某个最小能量的整数倍。这个最小的能量ε叫做一个量子
【板书】二、量子假说：物质辐射或吸收的能量是不连续的，只能是一种最小能量的整数倍。
E=nε （n=0,1,2,3,…）
ε=hν=hc/λ ( h称为普朗克常数 )
经典电磁理论中电磁波的能量是由波的振幅决定的，但在量子假说中最小能量却是与辐射的频率成正比的。做这样的假设后，普朗克推导得出了一个描述黑体辐射规律的公式：
【板书】普朗克公式：
用这个公式算得的各种波长下的辐射强度与实验测得的结果竟然完全吻合，获得了极大的成功。同学们想一想，讨论一下，这件事意味着什么？
（学生们几个人一组进行分析讨论和交流，教师巡视，并参与小组探讨，几分钟后）
生1：觉得有点不可思议，这给人一种生搬硬套，拼凑答案的感觉。
生2：如果真的没有别的办法，也只好这样了。
生3：根据经典的物理理论总得不到与实验完全符合公式，就说明经典的物理学理论有局限性，不能认为一定是永远正确的。
生4：我认为可以接受普朗克的假设，因为科学就是要尊重事实，既然普朗克的得到的结果与实验结果能符合得那么好，就表明他所做的假设是符合客观实际的，也就是说能量辐射其实就真的是一份一份的不连续的。
师：嗯，同学说得都很好，普朗克提出他的量子观点后，在当时的科学界也和同学们现在一样发生了激烈的争论，真理必须能经受时间的考验，对量子观点觉得不可思议的同学可以持保留态度。随着我们今后的学习，同学们将会看到，量子观点不断表现出它强大的生命力，最终被科学界所广泛认可了，并且由此开始了一场物理学的巨大变革。下一次的课我们就要来进一步了解量子观点如何成功地解决了此后物理学研究中又遇到的的一系列难题。
【板书】量子观点开创了一场物理学的巨大变革。
（三）小结：
师：通过前面的学习，同学们可不可以把能量量子化的观点与经典物理的能量观点列表作一个比较呢？请同学们把这作为今天的小组作业回去讨论完成。
参考答案：量子观点与经典物理的能量观点列表比较
经典物理能量观
量子观
能量的大小可以是连续的任意值
能量的大小是不连续的，只能是最小能量子的整数倍。
电磁辐射的能量由电磁波的振幅决定。
电磁辐射的最小能量值与频率成正比。
三、案例评析：
这个教学案例的设计将要研习的内容逐层递进展开。教学中考虑到学生的学习基础和生活经验，加上两个定性体验的小实验，增强了学生对物体热辐射的体验，通过这个体验从具体到抽象地逐渐展开学习过程，使学生真正体悟热辐射问题的物理意义。
揭示经典物理学理论与黑体辐射规律的矛盾，是本节课的关键。限于学生的知识局限，不可能在这节课中做详细的定量分析，因此通过举例把黑体的概念定性地剖析清楚，通过实验的体验引导学生把黑体辐射的基本规律定性地弄清楚是十分必要的，这样学生的思考才有具体事实为依托。尽量避免把这个课上成纯粹的接受性学习的课。
最后对普朗克的量子论观点，让学生充分思考讨论，让学生自由地发表自已对这个观点的看法，并允许他们暂时保留自己对这个观点的不同意见。科学以事实为依据，教师要避免渲染对量子观点的崇拜气氛，科学更需要的是探索精神，而不是简单的崇拜。让学生看到科学家是人而不是神，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。第一节 高速世界
教学目的
知识与技能
知道世纪之交的晴朗的物理学天空上的两朵乌云，了解其主要内容以及由此所引起的物理学理论的发展与创新。
认识经典力学的实用范围和局限性。知道经典时空观与相对论时空观之间的关系。
初步了解相对论时空观中的基本观点，了解狭义相对论和广义相对论。知道相对论以人类认识高速世界的影响。
过程与方法
经历科学家建立相对论的思维探索过程，认识科学思维的意义，学习科学的思维方法，从中体验成功的乐趣。
了解物理学的研究方法，认识理想实验，物理模型和数学工具在科学研究中的重要作用，以及物理验证实验在物理学发展过程中的作用。
情感态度与价值观
领略到自然界的奇妙与和谐，发展学生对科学的好奇心与求知欲。
养成敢于发表自己观点，既坚持原则又尊重他人的良好习惯。培养有根据的怀疑精神和批判意识，敢于坚持真理，勇于创新和实事求是的科学态度和科学精神以及判断大众传媒等有关信息是否科学的意识。
了解科学理论的相对性，知道科学理论发展过程的继承与扬弃。
体会科学，技术与社会之间的互动关系。
教学流程
第一课时
课件演示 标题：人类的宇宙图象
“抛砖”
“引玉”
教师讲述物理学史；
物理学大厦上空的两朵乌云、“迈克尔逊－莫雷实验”40年如一日反复得出的结果――光速不变、以太阴魂、牛顿力学的两个先验条件（绝对时空观）。爱因斯坦通盘考虑了有关光的传播速度的实验结果和牛顿力学、麦克斯韦电磁场理论的根基，他得出结论，唯一的出路是革命，从根本上改造经典物理学，抛弃以太，抛弃绝对时间和绝对空间，在新的时间、空间概念的基础上，建立全新的物理学体系――相对论。爱因斯坦的两个基本假设（狭义相对论）、由相对论引发的两个著名佯谬“尺缩钟慢”
5 “尺缩钟慢”的推导
6 作业：想象小论文 ，收集有关相对论的资料。
第一课时结束。
第二课时
学生朗诵＜＜想象小论文＞＞，讨论是否符合相对论原理。
辅导自学“质速关系”“质能关系”
讲解爱因斯坦升降机理想实验并得出加速运动和引力作用都导致了轨迹弯曲的结果。由此总结出“等效原理”； 预言光线弯曲并得到证实；将光线弯曲等效于时空弯曲来解释引力场的效应、提出广义相对论引力场方程。
模拟演示“时空弯曲的引力效应”
相对论的几个预言及被证实的过程（由学生讲述，教师补充）
介绍爱因斯坦的生平及一生的伟大贡献（由学生讲述，教师补充）
作业；试解释“山中方七日，世上已千年”
对相对论有兴趣的同学可课外阅读＜＜时间简史＞＞＜＜时间简史续编＞＞＜＜时空本性＞＞＜＜相对论演义＞＞＜＜奇异的量子世界＞＞等书
有关相对论的一此资料：
1 公元1054年发生过一起非常著名的超新星爆发事件，若光速能叠加则在几十年后都能看到这颗超新星爆发时所发出的光，而实际情况却像我国宋史上所记载的那样“岁余稍没”，此事间接证明了光速不变原理。
2 激发氢原子的实验以及对宇宙线的研究过程都证实了时间膨胀说。
3 广义相对论解释了水星近日点的进动问题，证明它是来源于实践的科学理论。
4 广义相对论预言了光谱线的引力红移，并得到证实。
5 英国的日全蚀观测队证实了星光在近太阳时弯曲。
6 广义相对论解释了“爱因斯坦十字星座”现象
本文只是给出一个授课过程的框架性建议，以及一此参考资料，本课内容多，处理也灵活，相信每个教师都有自己的特点及学情，不应受到束缚。这里只是抛砖引玉而已。高速世界 教学设计
知识技能要求：
1、知道相对性原理和光速不变原理
2、知道两个基本原理的重要地位
过程与方法要求：
1、经典时空观与迈克尔逊——莫雷实验的矛盾
2、爱因斯坦对电磁场理论的深入研究，勇敢地抛弃“以太”论，指出经典时空观在高速领域的谬误。
3、相对论两个基本原理的提出及合狭义相对论的建立。
情感、态度、价值观：
1、量变引起质变的辩证法思想在科学领域的体现。
2、通过观察实验或思想实验，培养学生注重实验事实、实事求是的科学态度。
3、敢于创新，才有所突破。
重点、难点：两个基本原理及其理解
教学过程：
导入：在经典力学中，力学定律在所有惯性学中都相同的形式，这个结论叫伽利略相对性原理。但当人们把相对性原理运用到电磁学领域中时，却和麦克斯韦理论发生了矛盾。从电磁现象总结出来的方程组，可得出电磁波在真空中的传播速度C，按伽利略变换，如果物质运动速度相对于某一参考学为C，则变换到另一参考学时，其速度就不可能沿各个方向都是C。则电磁波也只能够对一个特定参考学的传播速度是C，因而麦氏方程组只能对该特殊参考系成立。于是坚持经典时空观的科学家们很快就引入了一个“以大”（一种充满宇宙空间，无处不在看不见摸不着的非物质媒质），这个绝对静止的参考系。光速C即是相对于“以太”的速度。
一、迈克尔逊－莫雷实验：
基于经典时空观中运动合成的原理，当地球以一定的速度υ相对于以太运动时，静止在地球上的人观测到该光速为C′，那么，此人测得向他迎面而来的光速为C′=C+υ，而与他同方向传播的该光速为C′=C-υ；为了证明以太的存在，迈克尔逊设计了一种干涉仪；地球的公转产生相对于以太的运动，因而地球运动的平行方向与垂直方向之间，光通过同一距离的时间应当不相同，但测量的结果是否定的，一干涉花纹并未发生移动。几年后，迈克尔逊同精通物理和数学的化学家莫雷合作，改进实验装置，重做了干涉实验，结果仍未发现条纹有任何移动，于是他们非常失望。如果确信实验正确，则意味着无法用经典时空观来解释该现象，于是陷入了迷茫无法解释该实验现象。
二、爱因斯坦两个基本原理的提出
为了能更好的解释“迈一莫”实验，洛仑兹提出了长度收缩假说。但这只是从数学上拼凑出来的假说，缺乏物理依据，存在致命弱点。
爱因斯坦在深入研究由磁学理论后，敢于彻底抛弃以太，提出了与经典时空观绝然不同的新时空观，提出了两个基本假设，从而创立了相对论：
1、相对性原理：物理规律在一切惯性系中都具有相同的形式。
2、光速不变原理：在一切惯性学中，测量到的真空中的光速都一样。
注：惯性系：一切静止或匀速运动的参考学。
相对性原理表明：对某个物理过程的描述的物理定律的形式与惯性系无关。
光速不变原理表明：在一切惯性学中观察真空中的光速，无论任何方向，其速度均为C，与光源或观察者的运动无关。
——这正是迈克尔逊－莫雷实验的结果。
三、狭义相对论建立的伟大意义：
1、它从根本上变革了作为经典物理学基础的绝对时空观，提出了时间与空间相联系的相对时空观，开创了物理学的新纪元。传统的经典时空观只是低速领域的一种特例。
2、相对论力学揭示了物质和运动的内在联系，物体质量在高速运动中明显与运动速度有关。量子世界（2个课时）
【教学目标】
1、知识与技能目标
初步了解普朗克“量子假说”的背景，体会经典力学的局限性。知道普朗克“量子假说”的主要内容。
初步了解爱因斯坦“光量子说”的含义，了解光的微粒说与波动说之争，知道光具有波粒二象性。
2、过程与方法目标
认识到发展问题和提出问题的意义，认识到在科学理论建立过程中猜想和假设的重要性，以及科学争论和自由争鸣对科学发展所起的作用，培养学生的质疑能力和相像能力。
能尝试运用物理原理和研究方法解决一些相关的实际问题，培养解决实际问题的能力。
3、情感态度与价值观目标
领略到自然界的奇妙与和谐，发展学生对科学的发奇心与求知欲。体会辩论和质疑在科学研究中所起的积极作用。
养成敢于发表自己观点，既坚持原则又尊重他人的良好习惯。培养有根据的怀疑精神和批判意识，敢于坚持真理、勇于创新和实事求是的科学态度和科学精神以及判断大众传媒等有关信息是否科学的意识。
【重点难点】
教学重点：初步建立量子化的概念。
教学难点：物质的波粒二象性概念。
【教学方法】
通过自主学习和交流讨论的方式、上网查阅有关资料、教师讲授法结合。
【教学建议】
1、本节从世纪之交经典物理学无法解释“黑体辐射实验”的“紫外灾难”，引出普朗克的“量子假说”产生的历史背景，体会物理问题的研究往往是从模型的建立和假说入手。教学中可让学生通过自主学习和交流讨论的方式，完成对学习过程的体验。
2、认识科学问题的研究总是经历：提出问题→猜想假设→实践论证→修改理论……最终提示自然规律的过程。
3、关于光的波动性、粒子性及量子理论初步等内容的教学，应强调科学真理发现的道路并不平坦，需要一个漫长的过程；学习中应认真体会辩论和质疑在科学研究中所起的积极作用，通过典型的实例让学生充分认识量子理论的发展如何推动现代科学技术的迅猛发展，理解科学对技术发展的促进作用。
4、教学中要充分利用物理学史知识，围绕核心问题、展开师生之间的交流互动。教师不要局限于教材，可以根据学生的实际情况，做到用教材而不是教教材。充分利用多煤体教学手段，提高学生学习的兴趣和学习效率。
5、由于本节知识带有科普性质，所以无论是补充的内容还是原来课本的内容，都不宜也不可能讲得很深，尽可能把抽象问题形象化，能达到学生有一定的继续学习的兴趣即可。
【教学过程】
让学生阅读全文，允许学生互相讨论交流，并提出问题。（约20分钟）
对学生提出的问题做出正面的回答，尽可能把抽象问题形象化。（至少20分钟）
预计且建议可补充的内容有：
a：关于黑体的相关知识；
b：光的本性发展简史；
c：光电效应；
d：能级的相关知识；
e：课程资源：
1、普朗克及其对物理学的贡献
2、光电效应和爱因斯坦光量子理论
光电效应的规律
(2)经典物理理论对光电效应解释的困难
(3)爱因斯坦光子说及其对光电效应的圆满解释
3、玻尔对原子结构学说的贡献
4、光的本性——光的波动说和微粒学之争
5、德布罗意的物质波观点量子世界(1)
（一）教学目标：
1、知识与技能：了解热辐射的能力与波长和温度有关，进而了解黑体辐射；知道普朗克“量子假说”的主要内容；知道宏观物体和微观粒子的能量变化特点；知道光具有波粒二象性和物质波的假设及验证。通过学生阅读、分析与讨论，培养自学能力、合作能力和表达能力。
2、 过程与方法：通过观察白炽灯灯丝在电压升高时的发光情况，体会观察和分析物理现象的方法；通过了解普朗克“量子假说”的背景，知道经典力学的局限性。了解玻尔建立原子模型解释氢光谱的事实，体会物理模型的意义和量子论对人类认识物质世界所产生的深远影响。
3、情感、态度与价值观：了解光的微粒说和波动说之争，体会辩论和质疑在科学研究中所起的积极作用。养成大胆质疑、勇于创新、敢于发表自己观点的习惯，培养既坚持原则又尊重他人的思想品德。
（二）学情分析：
学生刚接触大量新的抽象概念，理解也较困难，应通过实验、图片和课件，从实验事实出发，运用讲解和类比的方法进行启发引导，让学生体会这些概念。
（三）教学思路：
本节内容，先是从黑体辐射引出量子化假设，然后是人类对光的本性的认识及深化，使学生体会牛顿力学的局限性和量子理论给人们认识世界带来的影响。本节的内容富含大量的物理学史资料，在教学中运用好这些教学资源，不但可使课堂教学生动活泼，还可以对学生进行许多的思想教育。本节教学内容多、但要求不高，因此可以在学生自学的基础上，通过实验、图片和课件、师生共同讨论等教学方法，帮助学生理解概念。本节内容的教学计划用二个课时，第一课时讲授紫外灾难和不能量连续性，第二课时讲授物质的波粒二象性。
（四）教学重点、难点：
1、重点：量子的概念，光的波粒二象性及物质波。
2、难点：学生缺乏相关的背景知识和概念的抽象性。
（五）教学方法、学习方法：
1教法：实验观察、问题式讨论和讲授。
2学法：阅读思考、讨论交流。
（六）教学流程：
1、引入新课
在本章的“导入”中曾介绍，1900年著名物理学家开尔文踌躇满志地宣告，物理学已尽善尽美了，只是在物理学晴朗天空的远处，还有两朵小小的令人不安的乌云。前两节课所学习的相对论就是由其中一朵小乌云引发的一场物理学革命，今天我们再来认识由另一朵小乌云引发的另一场物理学革命。
2、新课教学
（1） “紫外灾难”
观察现象：一只“220V、60W”的白炽灯，由220V交流电经0～250V自藕变压器降压后供电，用示教电表监测电灯两端的电压。引导学生观察电灯分别在50V、100V、150V、200V等电压下的发光情况。
思考问题：灯丝温度、发光情况有什么变化？这种变化蕴藏着什么规律？
阅读教材、讨论交流：学生阅读课本知识点一：“紫外灾难”。小组讨论上述实验现象。
汇报讨论结果、归纳小结：温度越高，辐射越强，辐射的波长越短。
（2） 能量不连续
引出问题：物理学家根据经典理论得出的黑体辐射强度与辐射波长、温度关系的曲线和实验得到的曲线不吻合，说明研究所遇到的极大困难，提出普朗克的量子假说。
阅读教材：学生阅读课本知识点二：“不连续的能量”。并回答“量子假说”的要点。
量子假说：辐射是不连续的，是一份一份地进行，每一份能量称为一个量子，辐射的总能量E为量子的整数倍，量子的能量与频率成正比，与波长成反比。
式中c为真空中的光速，h是普朗克常数，值为6.626×10-34J·s，是物理普适常数。
由于量子的能量相对于宏观物体的动能或势能来说，是非常微小的，完全可以被忽略。所以宏观物体（如铅球沿斜面滚下时）的动能或势能都是连续变化的。
可是在微观世界中，能量是量子化的。显然量子理论与经典力学的连续观念是不同的，这极大地深化了人类对物质世界的认识。
（3） 物质的波粒二象性
①光的波粒二象性
以牛顿为代表的光的微粒说：光是从光源发射出来的高速粒子流。他可以成功地解释光的直线传播和光的反射现象，但却无法解释光射到水面时，为什么会同时反射和折射。
以惠更斯为代表的光的波动说：光像水波一样，也是一种波，叫光波。这是因为水波所特有的衍射和干涉现象，光也有。它们的图片，并作简单的介绍。问题又出来了，水波是机械振动在水中的传播，属于机械波，是要靠介质传播的，那么太空中是真空，太阳光又是靠什么传播到地球来呢？
直到19世纪60年代，麦克斯韦创立了经典的电磁场理论，揭示了光是一种电磁波。至此，人们才深信光具有波动性，而且是电磁波，不是机械波，它可以在真空传播，可以不需要介质。
早在1887年，赫兹在验证电磁波的存在实验中就意外地发现，当用某种光照射金属时，金属中会逸出电子来，这种现象后来被称为光电效应。在经过研究得出光电效应的规律后，人们却发现，用光波动说无法解释这些规律。
年轻的爱因斯坦第一个意识到普朗克量子假设的重要性，他发展了能量量子概念，提出了光量子假设。他认为：光是不连续的、是一份一份的、具有一定能量的物质，每一份为一个单元叫做光量子，在人们接受这一概念之后把它命名为光子。
光既有波动性又具有粒子性的事实，不得不使人们承认光具有波粒二象性。不过，这里所说的粒子已不再是牛顿时代所说的微粒了。人们现在认识到：光在一定条件下，表现为粒子性，即不连续性；而在另一定条件下，表现为波动性。
阅读教材：学生阅读课本上关于光的波粒二象性的内容。
②物质波
阅读教材、讨论交流：学生阅读课本上关于物质波部分，并展开交流。
a、德布罗意把光的波粒二象性推广到实物粒子，得出了什么新理论？
b、德布罗意的新理论得到什么事实验证？
学生回答、教师补充。
3课堂练习
例题：根据量子理论，光子的能量，其中c为真空中的光速、为光的频率、为光的波长，普朗克常数取已知太阳光垂直照射时，每平方米面积上的辐射功率为P=1.35kw。假设太阳辐射的平均波长为则在垂直于太阳光的S = 1 m2面积上，每秒钟内可以接收到多少个光子？
解析：依题意，太阳光平均一个光子的能量为
在1 m2面积上，1s内得到的阳光总能量为 得到的光子个数
4课堂小结、作业布置（略）
案例评析：
本节的教学涉及很多新的概念，而且会遇到很多学生所没有的背景知识。如什么是波、波长、干涉、衍射、波动性等知识，实际上学生并不知道。因此，诸如此类的教学困难，要求教师在教学过程中应注意处理好教学各环节的衔接，要注意把握一个度，许多知识只是系统性的需要，而不要讲得太深，不要展开。本节课的教学处理基本上符合课标的要求，对有些概念作了适当的介绍，而对有些知识则一带而过。对于课后的作业，可以补充些有关微观量的计算，以强化学生对微观数据的印象。第六章 相对论与量子论初步
第二节 量子世界
一、教学目标：
（一）知识与技能：
1、初步了解普朗克“量子假说”的背景，体会经典力学的局限性。知道普朗克“量子假说”的主要内容。
2、初步了解爱因斯坦“光量子说”的含义，了解光的微粒说与波动说之争，知道光具有波粒二象性。
（二）过程与方法：
1、认识到发展问题和提出问题的意义，认识到在科学理论建立过程中猜想和假设的重要性，以及科学争论和自由争鸣对科学发展所起的作用，培养学生的质疑能力和相像能力。
2、能尝试运用物理原理和研究方法解决一些相关的实际问题，培养解决实际问题的能力。
（三）情感态度与价值观：
1、领略到自然界的奇妙与和谐，发展学生对科学的发奇心与求知欲。体会辩论和质疑在科学研究中所起的积极作用。
2、养成敢于发表自己观点，既坚持原则又尊重他人的良好习惯。培养有根据的怀疑精神和批判意识，敢于坚持真理、勇于创新和实事求是的科学态度和科学精神以及判断大众传媒等有关信息是否科学的意识。
二、教学重点
初步建立量子化的概念。
三、教学难点
物质的波粒二象性概念。
四、教学方法
自主学习、交流讨论
五、案例设计
一、让学生阅读全文，允许学生互相讨论交流，并提出问题。（约20分钟）
二、对学生提出的问题做出正面的回答，尽可能把抽象问题形象化。（至少20分钟）
1、预计且建议可补充的内容有：
a：关于黑体的相关知识；
b：光的本性发展简史；
c：光电效应；
d：能级的相关知识；
e：课程资源：
1、普朗克及其对物理学的贡献
2、光电效应和爱因斯坦光量子理论
光电效应的规律
(2)经典物理理论对光电效应解释的困难
(3)爱因斯坦光子说及其对光电效应的圆满解释
3、玻尔对原子结构学说的贡献
4、光的本性——光的波动说和微粒学之争
5、德布罗意的物质波观点
说明：因为本节知识内容丰富灵活，在这里只提出一个框架式的建议，供大家参考。第六章 相对论与量子论初步
第一节 高速世界
福建省泉州市第九中学 蔡巧铃
教学要求
初步了解爱因斯坦相对论建立的背景，知道时间延缓，长度缩短，质速关系，质能关系和时空弯曲。能运用相对论知识解释简单的现象。
了解经典物理学的局限，知道经典时空观与相对论时空观之间的关系。
初步认识“猜想”，“假设”和“物理模型的构建”在科学研究中的重要作用，培养大胆质疑的勇气和批判意识。
教学重点
了解现代物理学的基础知识。
通过物理学史的教育帮助学生建立辩证唯物主义的时空观，同时让学生体会到：科学的发展永无止境；在科学研究中要敢于质疑，不迷信权威，选择科学的研究方法巧妙地解决问题。
教学难点
高速世界远离我们所生活的低速世界，不但难以用生活经验来诠释，而且与生活经验相背离，导致学生难以接受。
经典物理学的概念根深蒂固，导致学生对新理论难以理解。
高速实验难以演示，缺乏直观的实验和形象生动的实例使学生难以想象。
学情分析
学生已通过一年的物理学习基本建立经典力学的概念体系，牛顿经典时空观与认知世界的协调，以及牛顿力学对现实世界解释的巨大成功，使之对此深信不疑；况且教师在以往的教学中有意避开对牛顿力学成立的先验条件的阐述，因此学生对此缺乏认识，高速世界与牛顿力学的冲突又远离他们的生活经验，不能构成他们进一步求知的动力。
教学目的
知识与技能
知道世纪之交的晴朗的物理学天空上的两朵乌云，了解其主要内容以及由此所引起的物理学理论的发展与创新。
认识经典力学的实用范围和局限性。知道经典时空观与相对论时空观之间的关系。
初步了解相对论时空观中的基本观点，了解狭义相对论和广义相对论。知道相对论以人类认识高速世界的影响。
过程与方法
经历科学家建立相对论的思维探索过程，认识科学思维的意义，学习科学的思维方法，从中体验成功的乐趣。
了解物理学的研究方法，认识理想实验，物理模型和数学工具在科学研究中的重要作用，以及物理验证实验在物理学发展过程中的作用。
情感态度与价值观
领略到自然界的奇妙与和谐，发展学生对科学的好奇心与求知欲。
养成敢于发表自己观点，既坚持原则又尊重他人的良好习惯。培养有根据的怀疑精神和批判意识，敢于坚持真理，勇于创新和实事求是的科学态度和科学精神以及判断大众传媒等有关信息是否科学的意识。
了解科学理论的相对性，知道科学理论发展过程的继承与扬弃。
体会科学，技术与社会之间的互动关系。
几点教学设计及目的
课件 标题：人类的宇宙图象
内容： 屈原＜＜天问＞＞ 、天似穹庐，笼盖四野（天圆地方）、亚里士多德＜＜论天＞＞中提到的地圆说及三个证据（月食，北极星的位置，先见船帆）、托勒密模型（地静中心圆周说）、哥白尼太阳静止中心圆周说、开普勒椭圆说、牛顿的无中心说……（有条件可采用FLASH作成动画，或用PPT也成）
目的：让学生感受到人类认识自然过程的曲折性，每一个先进的理论往往都有他的时代的局限性，虽然它最终都被修正却无损于它的伟大。为接下来的学习做好心理准备。
2 “抛砖”
剪辑一小段有关“时间旅行”或“星际旅行”的科幻影视片断做成课件播放，调动学生兴趣，然后教师提出一个以经典力学为基础的推导，通过速度合成达到超光速以进行时间或星际旅行的理论（此时教师最好是故作神秘，似乎通过“严谨”的推导，作出重大的理论发现似的。以期搞晕学生，逼出认知冲突。）
3 “引玉”
让学生评价“速度合成超光速”的可能性，这时学生中必然有人阅读过有关相对论的知识因而对此提出异议，此时可让他们发言，互相反驳、质疑，形成一种热烈的求知氛围。
4 “尺缩钟慢”的推导
依据司南版＜＜物理必修2＞＞本节课的时间延缓效应示意图，引导学生推导
（1）△t=△t′／(1-v2/c2)1/2、 (2) L′=L(1-v2/c2) 1/2
得出“尺慢钟缩”的结论。这部份的推导对于熟练掌握运动学知识的学生来说不算太难，让他们体验一下理论推理的乐趣，有助于提高学生的自信，认识科学推论的过程。
5 想象小论文
请发挥一下你的想象力，想象一下你在一个最高速度只有20公里的世界中旅行将会碰到什么有趣的事。
模拟演示
用编织网袋或有弹性的布料做一个平面，再取两个小钢球放在平面上，模拟演示质量使时空发生弯曲的现象。
教学流程
第一课时
课件演示 标题：人类的宇宙图象
“抛砖”
“引玉”
教师讲述物理学史；
物理学大厦上空的两朵乌云、“迈克尔逊－莫雷实验”40年如一日反复得出的结果――光速不变、以太阴魂、牛顿力学的两个先验条件（绝对时空观）。爱因斯坦通盘考虑了有关光的传播速度的实验结果和牛顿力学、麦克斯韦电磁场理论的根基，他得出结论，唯一的出路是革命，从根本上改造经典物理学，抛弃以太，抛弃绝对时间和绝对空间，在新的时间、空间概念的基础上，建立全新的物理学体系――相对论。爱因斯坦的两个基本假设（狭义相对论）、由相对论引发的两个著名佯谬“尺缩钟慢”
5 “尺缩钟慢”的推导
6 作业：想象小论文 ，收集有关相对论的资料。
第一课时结束。
第二课时
学生朗诵＜＜想象小论文＞＞，讨论是否符合相对论原理。
辅导自学“质速关系”“质能关系”
讲解爱因斯坦升降机理想实验并得出加速运动和引力作用都导致了轨迹弯曲的结果。由此总结出“等效原理”； 预言光线弯曲并得到证实；将光线弯曲等效于时空弯曲来解释引力场的效应、提出广义相对论引力场方程。
模拟演示“时空弯曲的引力效应”
相对论的几个预言及被证实的过程（由学生讲述，教师补充）
介绍爱因斯坦的生平及一生的伟大贡献（由学生讲述，教师补充）
作业；试解释“山中方七日，世上已千年”
对相对论有兴趣的同学可课外阅读＜＜时间简史＞＞＜＜时间简史续编＞＞＜＜时空本性＞＞＜＜相对论演义＞＞＜＜奇异的量子世界＞＞等书
有关相对论的一此资料：
1 公元1054年发生过一起非常著名的超新星爆发事件，若光速能叠加则在几十年后都能看到这颗超新星爆发时所发出的光，而实际情况却像我国宋史上所记载的那样“岁余稍没”，此事间接证明了光速不变原理。
2 激发氢原子的实验以及对宇宙线的研究过程都证实了时间膨胀说。
3 广义相对论解释了水星近日点的进动问题，证明它是来源于实践的科学理论。
4 广义相对论预言了光谱线的引力红移，并得到证实。
5 英国的日全蚀观测队证实了星光在近太阳时弯曲。
6 广义相对论解释了“爱因斯坦十字星座”现象
本文只是给出一个授课过程的框架性建议，以及一此参考资料，本课内容多，处理也灵活，相信每个教师都有自己的特点及学情，不应受到束缚。这里只是抛砖引玉而已。高速世界
要点精讲
一、高速世界的两个基本原理
1、以太物质与迈克尔逊——莫雷实验
经典物理学认为，宇宙空间充满着能传递万有引力和电磁相互作用的物质——以太，它具有绝对静止、密度较小、硬度极大、安全透明等特点，并充斥于空间，渗透于一切物体。
以太物质是牛顿力学及其基础——绝对时空观的产物，但被迈克尔逊——莫雷所设计的精妙的光干涉法实验（1887年所否定）。
说明：经典时空观（绝对时空观）的基本内容是：时间和空间是分别独立、不相联系的，空间距离和时间间隔都不随参考系的运动状态而改变，独立于物质和物质运动之外的时间均匀流逝，由绝对刚体保证的空间两点长度，在任何参考系中都是绝对相等的，即存在不受运动状态影响的时钟和直尺。
2、爱因斯坦的两个基本假设（高速世界的两个基本原理）
（1）相对性原理：物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。
（2）光速不变原理：在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速C都一样。
说明：本章所述的低速与高速都是相对光速而言，速度远低于光速的称为低速，一般的宏观物体的速度都远低于光速，因此，通常说宏观世界是低速世界，而微观粒子（如电子、质一、中子、宇宙高能射线等），其运动的速度常能接近于光速，这样的速度称之为高速，因此微观世界往往与高速世界相联系。
3、四维时空
相对论时空观认为，时间和空间是相互联系、相互影响的，并且与物质的存在及运动密切相关。
在相对论里，空间三维加是时间一维成统为一体的四维时空。
在四维时空中的一个点被称为一个事件。
4、相对论效应
（1）时间延缓效应
一个十分重要的相对论效应，即在某个惯性参考系中测得的A、B两件事件（如两道闪电）的时间间隔△t′，与在另一个相对于该惯性参考系的速度v，运动的惯性参考系中测得的A、B两个事件的时间间隔△t不等，且满足：
△t=
（2）长度收缩效应
另一个重要的相对论效应，即物体沿运动方向的长度比静止时长度发生因子的收缩。可以表达为。
其中l为相对物体静止的观测者测得的该物体的长度，则是该物体沿其长度方向以速度v运动时，静止的观测者测得的该物体的长度。
注意：不管是时间延缓效应还是长度收缩效应，都是相对论时空观的体现，是一种观测效应，时间延缓并不是时钟走得快或慢（或者被观测过程的节奏变化了），长度收缩也不是物体本身发生了收缩。
5、质速关系
质速关系可表达为m=，其中m0是物体在其自身静止的参考系中测得的质量，m称为相对论质量，上式表明，相对论质量是随v的增大而增大，当v→c时，m→ 时，可见量度惯性的是相对论质量而非静止质量，对静止质量不为零的物体，是不能加速到光速的，即用任何动力学的方法都不能获得超光速的运动，光速是物体运动的极限速度，对于静质量，应明确，在自然界所有基本粒子中，唯独光子的静质量为零。
式中的m是物质的质量，c为真空中的光速，E是物质的能量。
质能关系表明，质量和能量是物质不可分离的属性，当物质的质量减少或增大时，必然会伴随着能量的释放或吸收，且有下列关系
△E=△mc2
由于c2为巨大的物理常数，因此当某物体受到高能量的作用而发生静质量的转化△m0时，会释放出巨大的能量 △E0=△m0c2。原子弹等核武器及当今遍布世界各地的核电站，都是这一物理规律的应用。
7、时空弯曲
爱因斯坦的广义相对论指出：作加速运动的参考系在时间、空间的小范围内与引力场等效，并进一步得到，引力场是由于物质的存在及其一定的分布状况，使空间和时间变得不均匀（时空弯曲）所产生，时空结构随引力场而变化。
在物理学中，相对论第一个体现了物质和时空结构的不可分性，爱因斯坦认为，光线在引力场中的弯曲可得效为空间本身被引力弯曲了。引力不但影响空间，而且影响时间，对影响方式的最佳描述就是时空弯曲。
上述理论被英国天文学家爱丁顿对日食的观测所验证。
典型题解析
［例1］ 相对论中运动物体长度缩短与物体线度的热胀冷缩是否一回事？
［解析］ 相对论中物体长度缩短，指的是相对于物体高速运动的坐标系中，测得沿运动方向的物体的长度，比在相对于物体静止的坐标系中，测得的长度短。这里的长度缩短，是发生在一切运动着的物体上的物理过程，是一 种时空属性，与过程的物理机制无关，仅与物体以及参照系之间的相对运动状态有关，纯粹是一种相对论效应。物体运动速度愈大，长度缩短也愈大。
物体线度的热用冷缩，是一种具体的物质过程。指的是物体温度变化时，组成物质的分子原子运动状态的不同，导致了分子原子间电磁力的变化，使它们之间的距离增大或减小。显然，这种伸长缩短对不同惯性系都是一样的，与物体的运动速度无关。跟相对论中运动物体长度缩短是完全不同的两回事。
［例2］ 设地球是一惯性系，并设北京和上海直线相距1000千米，且从这两地同时开出一列列车（这里的“同时”是指对地球这一惯性而言）。现有一艘飞船沿北京到上海方向直线飞行，速度恒为v0 。若：（1）v=9千米/秒；（2）v=0.999c（c=3×108千米/秒，这样高速的飞船，目前仍是一种幻想），问飞船中的观察者测得两列车开出时刻的间隔多少？
［解析］ 取S系与地面相连结，坐标原点取在北京，以北京到上海的方向为x轴的正方向；取S′系与飞船相连结。现已知△x=x上海-x北京=106米，△t=0。
（1）v=9千米/秒，这时v与c之比值
。
由式（10-20）
因≥1，≈1，于是
△t′=t′上海- t′北京≈—△x=—=—10-7秒，
t′上海= t′北京-10-7秒。这就是说，飞船上的观察者将发现上海开出列车的时间比北京早10-7秒（0.1微秒）。
（2）v=0.999c，这时v与c之比值
。
因 =≈22.3，
所以 ≈-22.3×≈-7.4×10-2秒
即飞船中的观察者发现上海的列车比北京的早7.4×10-2秒（74毫秒）开出。
基础演练与综合应用
1、设某列车的本身长度（与之相对静止的观测者测得的长度）为100m，当以（1）v=30m/s，（2）v=2.7×108m/s的速度相对观测者沿列车长度方向作匀速直线运动时，对地面的观察者来说，它的长度是多少？
（提示当x≤1时，有）
2、原子核由核子（质子和中子组成），人们发现一些稳定原子的原子核，其质量明显地比所含核子的质量之和小，例如氘核由一个中子与一个质了组成，它们的质量分别是
氘核：mD=3.34365×10-27kg
质子：mP=1.67265×10-27kg
中子：mn=1.67496×10-27kg
试求：一个质子与一个中子组成氘核时释放出多少能量？高速世界 教学设计
（一）教学目标：
1、知识与技能
认识经典力学的适用范围和局限性，了解相对论时空观的主要思想。
2 、初步了解相对论时空观的形成过程和爱因斯坦建立相对论的方法，尝试运用相对论时空观解释相关的现象。
3、情感态度与价值观 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。
（二）教学思路：
相对论的知识对学生来说具有一定的难度，放手由学生阅读和讨论，估计效果不一定好。而采用教师边启发，学生边思考、边讨论交流的方法会更好些。对教材中所涉及的计算，对学生而言也有一定的难度，也可以是在教师的启发下师生共同来演算。由于相对论的知识不是重点，公式本身也非难点，所以在这方面的知识上不要花太多的时间和精力，只是通过讨论交流和计算使学生对相对论所推演的重要现象有所感悟，对相对论有初步的了解，能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即可。
（三）教学重点、难点：
1、重点：了解经典时空观的局限性及其与相对论时空观的差异。
2、难点：对相对论时空观的理解。
（四）教学方法、学习方法：
1、教法：讲授 ，讨论交流变原理。
2、学法：阅读思考，讨论交流。
（五）教学过程：
1引入新课
让学生阅读本章的“导入”和“高速世界的两个基本原理”的第一段。了解1900年著名物理学家开尔文所说的物理学晴朗天空远处的“两朵令人不安的乌云”，并产生认知上的冲突，以激起进一步学习的欲望。
2新课教学
（1）高速世界的两个基本原理
首先指导学生围绕“以太论”和“迈克尔逊—莫雷实验”阅读课本。对相对速度的理解有困难的学生，教师应及时予以帮助，并对“以太论”产生的背景作简单介绍。然后再介绍相对性原理和光速不。
（2）四维时空
指导学生自主学习相关课文（包含教材上的“信息窗”），体验相对论给人们展示的时空观。让学生以具体的例子来阐述三维空间和四维时空的表示方法，并思考能否在纸张上用四个坐标轴来表示四维时空？
（3）时间延缓效应
指导学生阅读课本上爱因斯坦设计的理想实验，通过计算机课件来展示课本“时间延缓效应示意图”所描述的物理情景。然后师在地面上的观测者所测得光传播的时间和静止在车上的观测者所测得光传播的时间之间的关系。计算的目的不是要求学生一定掌握推导所得的公式，而是为了加深对时间延缓的理解，以及加深对相对论中 这一重要因子的认识。之后，让学生阅读生一道演算：静止课本关于宇宙射线中子穿过地球大气层的问题。
（4）长度收缩效应
在狭义相对论中，不仅时间与惯性参考系有关，而且在不同的惯性参考系中测量同一个物体的长度也不相同。接下来安排学生阅读课本，并认真分析《长度收缩与运动速度的关系》表中的数据，回答两个问题：
①你站在路边能观测到行驶越快的汽车，其长度就越短吗？
②高速运动的物体，沿速度方向的长度真的变短了吗？
（5）质速关系
学生阅读课本，并认真分析《质量随速度增大而增大》的图像。回答：
①物体的运动质量大于静止质量，是物体含物质的量增加了吗？
②为什么说任何静止质量不为零的物体，都不可能加速到光的速度？
（6）质能关系
①根据质能方程，设想能量
学生阅读课本，并思考回答：开发的新方法。
②请谈一谈你对核能开发利用的利与弊。
（7）时空弯曲
指导学生阅读课本，重点看懂爱因斯坦的理想实验——时空弯曲示意图，明白什么叫时空弯曲。以小组为单位合作学习，研讨爱丁顿观测小组是如何验证了广义相对论的，体验爱丁顿观测方案的绝妙之处——利用日全食。
播放一段《我们的宇宙》影片中关于时空弯曲的片段。
2 案例评析：
这节课所涉及的内容远离学生的生活经验，知识较为抽象，但知识点本身又不属于教学的重点，所以本案例是以知识形成的历史为基础，广泛的利用课程资源和现代教育技术，以学生阅读、启发思考、教师讲授等形式开展教学。学习这节内容的目的主要是让学生了解物理学的发展，感受科学家研究的方法，体验物理实验设计的美妙，拓展学生的物理视野。教学活动融合和知识学习和过程体验，体现了新课程的教学目标的要求，展示了新课程内容的先进性。第六章 相对论与量子论初步
第一节 高速世界
一、教学目标：
（一）知识与技能：
1、知道世纪之交的晴朗的物理学天空上的两朵乌云，了解其主要内容以及由此所引起的物理学理论的发展与创新。
2、认识经典力学的实用范围和局限性。知道经典时空观与相对论时空观之间的关系。
3、初步了解相对论时空观中的基本观点，了解狭义相对论和广义相对论。知道相对论以人类认识高速世界的影响。
（二）过程与方法：
1、经历科学家建立相对论的思维探索过程，认识科学思维的意义，学习科学的思维方法，从中体验成功的乐趣。
2、了解物理学的研究方法，认识理想实验，物理模型和数学工具在科学研究中的重要作用，以及物理验证实验在物理学发展过程中的作用。
（三）情感态度与价值观：
1、领略到自然界的奇妙与和谐，发展学生对科学的好奇心与求知欲。
2、养成敢于发表自己观点，既坚持原则又尊重他人的良好习惯。培养有根据的怀疑精神和批判意识，敢于坚持真理，勇于创新和实事求是的科学态度和科学精神以及判断大众传媒等有关信息是否科学的意识。
3、了解科学理论的相对性，知道科学理论发展过程的继承与扬弃。
4、体会科学，技术与社会之间的互动关系。
二、教学重点
1、了解现代物理学的基础知识。
2、通过物理学史的教育帮助学生建立辩证唯物主义的时空观，同时让学生体会到：科学的发展永无止境；在科学研究中要敢于质疑，不迷信权威，选择科学的研究方法巧妙地解决问题。
三、教学难点
1、高速世界远离我们所生活的低速世界，不但难以用生活经验来诠释，而且与生活经验相背离，导致学生难以接受。
2、经典物理学的概念根深蒂固，导致学生对新理论难以理解。
3、高速实验难以演示，缺乏直观的实验和形象生动的实例使学生难以想象。
四、教学方法
科学质疑法、思考讨论法
五、案例设计
一、引入新课
剪辑一小段有关“时间旅行”或“星际旅行”的科幻影视片断做成课件播放，调动学生兴趣，然后教师提出一个以经典力学为基础的推导，通过速度合成达到超光速以进行时间或星际旅行的理论（此时教师最好是故作神秘，似乎通过“严谨”的推导，作出重大的理论发现似的。以期搞晕学生，逼出认知冲突。）
二、新课教学
1、高速世界的两个基本原理
物理学大厦上空的两朵乌云、“迈克尔逊－莫雷实验”40年如一日反复得出的结果――光速不变、以太阴魂、牛顿力学的两个先验条件（绝对时空观）。爱因斯坦通盘考虑了有关光的传播速度的实验结果和牛顿力学、麦克斯韦电磁场理论的根基，他得出结论，唯一的出路是革命，从根本上改造经典物理学，抛弃以太，抛弃绝对时间和绝对空间，在新的时间、空间概念的基础上，建立全新的物理学体系――相对论。爱因斯坦的两个基本假设（狭义相对论）、由相对论引发的两个著名佯谬“尺缩钟慢”
2、时间延缓效应
（1）、推导
（2）、关系：
3、长度收缩效应
（1）、推导
（2）、关系：
4、质速关系
（1）、推导
（2）、关系：
5、质能关系
（1）、推导
（2）、关系：
6、时空弯曲
（1）、讲解爱因斯坦升降机理想实验并得出加速运动和引力作用都导致了轨迹弯曲的结果。由此总结出“等效原理”； 预言光线弯曲并得到证实；将光线弯曲等效于时空弯曲来解释引力场的效应、提出广义相对论引力场方程。
（2）模拟演示“时空弯曲的引力效应”
说明：对相对论有兴趣的同学可课外阅读＜＜时间简史＞＞＜＜时间简史续编＞＞＜＜时空本性＞＞＜＜相对论演义＞＞＜＜奇异的量子世界＞＞等书
7、布置作业第2节 量子世界
教学重点1.理解普朗克的量子假说，知道能量具有不连续性，与传统的连续性认识是不同的；
2.了解事物的连续性与分立性是相对的；
3.知道物质既具有波动性，又具有粒子性.
教学难点了解事物的连续性与分立性是相对的.
教具准备投影仪，投影片.
课时安排1课时
三维目标
一、知识与技能
1.理解普朗克的量子假说，知道能量具有不连续性，与传统的连续性认识是不同的.
2.了解事物的连续性与分立性是相对的；
3.知道物质既具有波动性，又具有粒子性；
4.了解光是一种概率波；
5.了解物质的波粒二象性在实践中的应用.
二、过程与方法
1.学习体会假说的提出与论证这一近代物理学中的研究方式.
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，体会量子理论的建立深化了人类对物质世界的认识.
三、情感态度与价值观
通过本节课的学习，领会实验是检验真理的唯一标准；体会我们唯有敢于向真理挑战、向传统的观念挑战，才有可能有所创新、有所发现，直至发现新的真理.
教学过程
导入新课
对物体热辐射的研究，尤其是对黑体辐射的研究是19世纪后期的一个重要课题，下面就请大家阅读教材P117，自学人们在研究黑体辐射中遇到的问题，即“紫外灾难”.
推进新课
一、紫外灾难
学生活动：交流、讨论自学后的收获，并作出自己的大胆假设.
教师补充：人们研究发现，黑体的辐射能力与黑体的辐射波长和温度有关，但研究又发现用经典物理的理论去推导却导不出与实验结果相吻合的实验曲线.更为严重的是波长向紫外区域延伸时，出现了障碍.这也就是开尔文所说的第二朵乌云.
【合作探究】
你觉得夏天穿什么颜色的衣服最热？为什么？
大家都知道，火可以辐射光和热.有位同学说：“寒冬的雪也会辐射光和热”.你怎么看？
教师点拨：参看教材的两个图像“辐射强度”与“理论曲线”就可以得到答案.
教师活动：难道这个障碍就真的无法逾越吗？我们接下来再看看另一位伟大的物理学家普朗克是如何来解决这个问题的.看看和你的假设是否一致呢？
二、不连续的能量
德国物理学家普朗克用了六年的时间，在用经典理论无论如何都解释不了实验结果的情况下，他不得已提出了新的假说.这就是非常著名的量子假说，成功地解决了“紫外灾难”.请同学们阅读教材，找出他的观点，并说出你自己的认识.
学生活动：交流、讨论自学后的收获，并做出自己对这种假说的认识，并比较分析量子化假设与传统观念的碰撞，用例子说明量子化与连续性的相对性.
教师小结：普朗克的量子假说认为，物质辐射（或吸收）的能量是一份一份的，就像物质是由一个个原子组成的一样.将这样的一份份能量称为量子.而且他还给出了量子的能量与波长成反比，与频率成正比.即，公式中h是普朗克常量，是微观现象量子特性的表征.
教师活动：量子化与连续性的相对性我们可以这样去理解，在宏观世界里能量体现的是连续的，在微观世界里量子化或不连续性是显著的.量子化假说的提出，使人类对世界的认识由宏观转向了微观世界，极大地开拓了我们的眼界.
既然我们已经掌握了探究微观世界的有力武器——量子，下面我们就来更深入地研究微观世界的物质体现的特性，看看和我们再熟悉不过的宏观世界有哪些不同的地方？
三、物质的波粒二象性
教师活动：请同学们阅读教材P119-P121，找出历史上对光的认识，并说出你自己的认识.
学生活动：交流、讨论自学后的收获，并阐述自己对这些假说的认识.
教师总结：人类历史上对光的本质有两种不同的认识，其实不管是牛顿的微粒说还是惠更斯的波动说都是为了解释某一特定的现象才引入的.所以它们都有各自的弊端.一些问题的难以解决又将人们带入了对光的本质的重新认识.
关键时刻又是爱因斯坦带来了新鲜的血液.他将普朗克的量子化理论用在了解释光的本质上.
请同学们再仔细阅读教材，看看爱因斯坦是如何解释这个问题的.
学生活动：交流、讨论自学后的收获，并阐述自己对这些假说的认识.
教师活动：是的，光具有波粒二象性.在一定条件下，突出的表现为微粒性实质为不连续性；而在另一些条件下，又突出表现出波动性.
问题好像到此应该结束了，人们将光的本质已经很好地解释了，接下来有发生了什么事情呢？大家接着看书思考.
学生活动：交流、讨论自学后的收获，并阐述自己对这些假说的认识.
【教师精讲】
法国物理学家德布罗意进一步提出了物质波的理论（获1929年诺贝尔物理学奖），根据这一理论，每个物质粒子都伴随着一种波，即物质波，又称为概率波.这个理论揭示了物质的统一性.
总之，物质具有波粒二象性，我们要注意粒子性的本质在于不连续；波动性的实质在于对微观物体状态及运动描述的不确定性，不能把物质波理解为经典的机械波和电磁波.
学生总结光本性学说发展史：
（1）17世纪牛顿的微粒说：光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀介质中以一定的速度传播.能解释光的反射等现象，不能解释光的互不干扰、同时发生的反射和折射、在介质中v（2）17世纪惠更斯的波动说：光是在空间传播的某种波.能解释光的互不干扰、同时发生的反射和折射，但不能解释影子的形成、传播不需要介质等问题.
（3）19世纪60年代麦克斯韦的电磁说：光是一种电磁波，具电磁本性.使波动理论发展到了相当完美的地步.根据有：电磁波速等于光速；传播不需要介质；不能完美地解释光电效应.
（4）20世纪初爱因斯坦的光子说：光是不连续的，是一份一份的，每一份叫一个光子，E=hν.注意，这完全不同于牛顿的“微粒”.爱因斯坦吸收了普朗克的量子思想，很好地解释了光电效应，又保留了电磁波的特征.
（5）20世纪前期德布罗意的波粒二象性：光是一种波，同时也是一种粒子，即光具有波粒二象性.
四、物质波粒二象性的实践应用
光学显微镜和电子显微镜的设计与制造原理，就是充分利用物质的波动性.当今技术可以制造出观察原子的扫描隧道显微镜.
课堂小结
通过本节课的学习，我们初步了解了微观世界中的量子化现象，知道了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；理解了普朗克的量子假说，知道能量具有不连续性，与传统的连续性认识是不同的；了解事物的连续性与分立性是相对的；知道物质既具有波动性，又具有粒子性；了解物质的波粒二象性在实践中的应用.
布置作业
课本作业2、3.
板书设计
一、紫外灾难
人类对黑体辐射的研究遇到了困难
二、不连续的能量
普朗克提出了量子假说，即，认为辐射中的能量是一份一份的，而不是连续的.在微观世界里，量子化或不连续性是很显著的.
三、物质的波粒二象性
不仅光具有波粒二象性，物质也同样具有波粒二象性；
