高中物理 5.2 经典时空观与相对论时空观教案 粤教版必修2

用心 爱心 专心1 第二节第二节 经典时空观与相对论时空观经典时空观与相对论时空观 一 教学目标 1 知识与技能 1 了解伽利略相对性原理 知道时空观与参考系的联系 2 了解经典时空观及其基本推论 知道牛顿引入绝对时空观的原因 3 了解狭义相对论的理论基础与狭义相对论时空观的几个推论 知道相对论 时空观对人们认识世界的影响 4 知道经典时空观与相对论时空观的主要区别 2 过程与方法 1 通过关于参考系和运动的 讨论与交流 认识惯性系的概念与伽利略相 对性原理 2 解读并分析教材图 5 2 1 和图 5 2 2 了解绝对时空观与实验事实的矛盾 3 通过了解爱因斯坦创立狭义相对论的过程 学习创立科学理论的基本方法 提出假设 4 解读并分析教材图 5 2 3 和图 5 2 4 通过 讨论与交流 理解同时的相对 性 5 对比经典时空观的推论与相对论时空观的推论 认识经典时空观与相对论 时空观的区别 3 情感 态度与价值观 1 通过 讨论与交流 活动 培养学生的独立思考能力 逻辑分析能力 口 头表达的能力和合作学习的精神 2 通过了解时空观的变革 从中认识物理学的发展和变革 体会相对论对人 类认识世界的影响 感受物理学的发展对推动社会的作用 3 感受科学家客观求实 理性追求 批判创新的精神和富有创造性的想像力 启发学生勇于质疑 富于想象 培养思维的多向性和发散性 4 通过了解时空观的变革 使学生认识到自然界是可以被人认识的 科学是 用心 爱心 专心2 认识自然最有效的途径 科学对自然现象有解释和预见的功能 科学知识具有相对 的稳定性并不断发展和进步 从过程的意义来看 科学的本质就是探究 是不断地 追求真理和不断地修正错误 不断地创新 二 本节概述 1 本节特点 1 侧重于定性介绍 2 强调物理学思想和方法 3 重视实验事实 4 重视理性思维的作用 2 教法与学法 本节内容有一定难度 教学形式建议在教师的组织和引导下 以教师讲解和师 生共同讨论为主进行教学 渗透对科学研究方法的领悟和学生创造性思维的培养 本节分两个主题 主要安排了 讨论与交流 活动项目 教学中注意通过交 流与讨论培养学生的逻辑思维能力 引导学生乐于合作 集智取长 三 教材说明与教学建议 本节教学可以从启发学生思考自己对时间和空间的感觉或认识来引入 举例如 下 或许大多数人对时空的认识就像 19 世纪作家查里斯 兰姆写的 世间万物 没有任何东西像时间和空间那么使我困惑 然而没有任何东西比时间和空间更少使 我烦恼 因为我从不想起它们 的确 我们中的大多数人几乎从来不去细想我们 每天的时空观念 可是 若要问一问 时空是何物 时间和空间是否存在于我们的 知觉之外 时间和宇宙有开端吗 它们会结束吗 这些问题的答案是什么 此类问题 的提出可以激发学生了解时空奥秘的兴趣 什么是时间与空间 人们一提到时间 常常想到的是秒 时 天 年 一提到 空间 便想到尺 米 千米 实际上这些都是时间和空间的计量单位 说出这些单 位的名称 不等于理解了什么是时间和空间 其实 所谓时空观 就是有关时间和 用心 爱心 专心3 空间的物理性质的认识 时空观同自然科学的发展是密切相关的 科学上的重大变 革往往伴随着新时空观的产生 甚至 一定意义下可以反过来说时空观的变革才是 科学上大变革的基本标志 教学中可以简要介绍或布置学生课下了解古代人们对时空的一些认识和思 考 参见课程资源 时空观的发展 从而使学生认识到人类对时间和空间本质的 探索是自生命之始就有的 从古到今人们做出许多努力 希望解开时空之谜 古人 尝试由宗教和神话去了解空间 时间与宇宙 如今我们利用科学来了解这些概念 1 经典时空观 从参考系的概念引入经典时空观 是为了介绍牛顿引入经典时空观的理论出发 点 使学生领会经典时空观是经典力学的理论基础 讨论与交流 在匀速前进的车厢中的自由落体 相对于车厢中静止的观察者做 竖直向下初速度为零的匀加速直线运动 相对于地面上静止的观察者做平抛运动 讨论与交流 1 我们所说的匀速运动实际上是以地面为参考系 物体不受外力或者所受合 外力为零时的惯性运动 2 一个物体的运动对两个相互做匀速直线运动的惯性系来说 速度 加速度 以及所遵循的力学规律都是相同的 教学中要组织好学生通过 讨论与交流 体会伽利略相对性原理的含义 理解 惯性系的概念 对 相对性原理 的理解重点在于理解所有的惯性系都是平等的 不能用任何实验来区分一个系统是静止还是在做匀速直线运动 这一原理是物理学 最重要的基石之一 不管是经典力学还是相对论都要用到它 可以补充介绍伽利略 在 关于两大世界体系的对话 一书中运用理想实验对 相对性原理 的阐述 参 见课程资源 伽利略相对性原理 了解牛顿引入绝对时空观的缘由 教学中要注意理清以下思路 1 经典力学是讨论物体的运动状态及其改变的 而所有的运动都是在一定的 时间 空间中进行的 机械运动是物体的位置移动 位置涉及空间概念 移动涉及 用心 爱心 专心4 速度 涉及时间概念 所以牛顿力学必定与一定的时空观相联系 2 机械运动的描述离不开参考系 然而牛顿定律并不适用于所有的参考系 后 人把牛顿定律适用的参考系叫做惯性参考系 但是经典力学的理论框架本身并不 能能明确给出什么是惯性参考系 牛顿的解决办法是引入一个客观标准 绝对空 间 用以判断各物体足处于静止 匀速运动还是加速运动状态 参见课程资源 牛顿对绝对空间的设想 对绝对时空观及其三个推论的教学建议采用举例和联想 比喻的方式 使学生 结合生活经验了解和领会 牛顿认为 宇宙本身结构是不会变的 他称这结构为绝对空间 我们打个比方 把 空间 设想成物体做机械运动的舞台和背景 在日常生活中我们有这样的经验 在一个箱子中可以放进一定数量的东西 这是箱子的一种性质 可以叫做箱子的容 积 也就是箱子的空间 这个容积大小或空间大小是与箱子里放什么东西 以及放 不放东西 没有关系的 在卖箱子的商店里 总是要标出 26 26 10 等等尺寸 之 所以能这样标出 就是以容积是箱子的不受 外在的情况 影响的本性这一点为依 据的 进一步 我们设想箱子无限地扩大 这就得到了一个与任何特殊的物质无关 的 绝对的空间 它就是牛顿的绝对空间 牛顿的绝对时间由于其内在性质而均匀地 与任何外界事物无关地流逝着 如 何理解绝对时间呢 时间是绝对的 意味着人们可以毫不含糊地测量两个事件之间 的时问间隔 只要用好的钟 不管谁 在什么参考系中 去测量 这个时间都是一样 的 而时间像空间的结构一样 是永远稳定而可靠的 是永恒的 它均匀连续地流 过 这样我们可以想象时间是一根单独的线 或者是两端无限延伸的铁轨 在牛顿的时空观中 空间 时间脱离物质及其运动而客观存在 空间的延伸和 时间的流逝都是绝对的 也就是说 空间 时间就像是事件发生的背景 但是这种 背景不受事件的影响 并且时间和空间相互分离 对经典时空观的几个具体结论 教材没有做更多的介绍 教学中可举例说明 1 同时的绝对性 绝对时空观中的同时是绝对的 就是说 在两个不同地点 用心 爱心 专心5 发生的两个事件 只要对一个惯性参考系来说是同时 那无论对什么惯性参考系来 说都是同时的 例如 有一辆做匀速直线运动的火车 车厢内观察者看到两个事件 是同时发生的 那站在站台上的观察者也必定看到两个事件是同时发生的 反过来 说也如此 在这点上 经典时空观与人们的日常生活经验似乎是一致的 2 时间间隔的绝对性 例如一个人看到自己的手表走过一分钟 往往以为世 界上所的钟和表也都同样地走过一分钟 而不管是在哪一种运动状态的钟 这就是 时间间隔的绝对性 3 空间距离的绝对性 例如一把直尺的长度 如果从某一个参考系测量它是 一尺 那么 我们的日常经验会以为从任何参考系来测量它 它仍旧是一尺 而与 参考系的运动状态无关 显然以上结论与我们的日常生活经验相符 所以绝对时空观很容易被人们接受 而且绝对时空观与经典力学是一致的 所以在经典力学广泛应用的过程中 牛顿的 绝对时空观也广为流传 在大约一个世纪的时间里 人们都以绝对时空观去认识和 思考世界 2 相对论时空观 相对论时空观的教学可分三个层次 狭义相对论的提出 相对论时空观 相对 论对人类认识世界的影响 爱因斯坦为什么会提出狭义相对论的两条理论假设 这一问题既包含物理学发 展过程中引起重大变革的实验发现 又蕴含了物理学家丰富的想像力 敏锐的洞察 力以及富有探索性和创造性的思维特征 本节开篇直接指出 光在空间是如何传播的 对这一问题的研究和思考引发了 物理学的革命 改变了人们的时空观 目的是交代理论变革的线索 教学时应使学 生对 19 世纪末物理实验与理论的矛盾有所了解 可参见课程资源 以太危机 相对论 出世 教学中应结合教材图 5 2 1 图 5 2 2 使学生理解光的传播与经典力学的 矛盾 使学生体会科学强调和尊重经验事实对理论的检验 实验验证是物理学的生 用心 爱心 专心6 命线 学生对相对论时空观的理解会有一定难度 教学的重点应放在理解 同时的相 对性 在师生进行讨论与交流活动时 要注意提示学生在光速不变和运动的相对性两 条原理下思考问题 运动的相对性即某物对于一个惯性系来说是静止的 而对于另 一个惯性系来说 却可能发生了运动 这是理解狭义相对论的前提 因为物质运动 是在时间和空间中进行的 时间和空间是物质运动的形式 没有运动的相对性 就 不会有时间和空间的相对性 所谓两个事件是同时的 意思是说 两件事的空间位置可以不同 但发生的时 间是一样的 举一个例 每当广播电台在播送对钟信号的时候 在不同地点的许多 人都要对一下自己的钟或表 我们可以说 不同地点的人对钟动作是同时的 仔细 分析 这个说法并不严格 因为电台发射的信号要经过一定的时间才能传到收音机 那里 距离越大 传播时间越长 不同地点收到信号的时间 实际上并不完全一 样 当然 由于电波速度很快 这种对钟方法产生的差别相当小 在日常生活中这 种不严格性不会带来任何麻烦 注意同时的相对性是针对发生在不同地点的事件而言的 因为两个事件发生在 不同地点 光信号的传递是两段不同的路程 这两个不同的过程才会相互比较 因 为是两个基本点不同的地点 才会有是否同时接受到光信号的问题 如果两个事件 发生在同一个地点 更准确地说是同一个点 那这两个事件光信号的传递就是相同 的过程 在这种情况下 就不可能出现先后接收到光信号的问题 同时就是绝对的 与参考系的选择无关 比如 在教材图 5 2 3 5 2 4 的例子中 如果我们把 车厢里的前后两个门安装在一起 两个门面相贴 就像一个门的正反两面 那这两 个门无论放在车厢内的什么位置 总是同时接到光信号 总是同时打开 无论车厢 里的观察者 还是站台上的观察者 他们看到的都是两个门同时打开 视学生程度来把握对 同时的相对性 探讨的深度 可参见课程资源 关 于 同时 的概念 及 同时的相对性 用心 爱心 专心7 运动的时钟变慢 运动的尺子缩短 物体质量随速度的增加而增大 这三种 相对论效应利用教材插图进行解释 1 运动的时钟变慢 其实质是指在相对论中每位观察者都有自身的时间测度 即如果一时钟在天空高速飞驰 对静止不动的观察者来说似乎钟的时间走得慢 了 时钟飞驰得越快 钟的时间走得越慢 在与光速相等的时候 钟将似乎完全停 止 时间就会停顿了 这种效应得到了实验的验证 f1971 年 美国人把原子钟放 到喷气式飞机上 当飞机绕地球飞行一周回到地面后 飞机上的原子钟与地面上的 原子钟的读数出现了微小的差别 这个微小的差别主要是由相对论中的时钟变慢引 起的 1 喷气式飞机的速度毕竟不是很快 跟光速相比则差距更大 试想 若飞机 的速度接近光速 那么时钟读数的差别将绝不会是微小的 高能量基本粒子的运动 速度很高 非常接近光速 把测量到的静止介子的衰变寿命 同实验测量到的高速 运动介子的衰变寿命比较 就会发现运动介子的寿命确实比静止介子的寿命长了很 多 2 运动的尺子缩短 在对教材图 5 2 6 解释时 应注意指出左图中 A 尺相 对于 B 尺静止 右图中 A 尺相对于 B 尺运动 在 B 尺看来 A 尺长度缩短 尺缩和 钟慢一样 是对称的 即如果 A B 之间有相对运动 那么 A 看 B 的尺缩短了 B 看 A 的尺缩短了 这个结论表示空间的大小并不是绝对的 而是相对的 即物体运动起来以后 运动的物体沿运动方向收缩 长度变短 例如 一列以 速度 v 匀速前进的火车 从站台一端到达另一端时 按车站钟表计需要时间 t1 站 台长为 v t1 但是 按火车上乘客的手表计只需要时间 t2 站台长为 v t2 由于 运动的时钟变慢 即 t2小于 t1 故 v t2小于 v t1 所以 乘客完全有理由得出这 样的结论 站台缩短了 实际上在车站上的人看来站台却并没有缩短 但他们也同 样有理由说 火车缩短了 这种现象绝不是一种光幻视 因为用任何测长仪器测量都会得出同样的结 论 我们在平时看不到这种收缩现象 只不过是由于在低速缓慢的运动中 这种 现象不明显而已 事实上 即使物体运动的速度达到每秒 3 万千米 长度的收缩也 用心 爱心 专心8 不过是千分之五十 由此可见 时间 空间和运动的确是紧密联系的 时间和空间 的这种性质就叫做时空的相对性 3 物体质量随速度的增加而增大 爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建 立了相对论力学 指出质量随着速度的增加而增加 当速度接近光速时 质量趋于 无穷大 他给出了著名的质能关系式 E mc 质能关系式对后来发展的原子能 事业起到了指导作用 讨论与交流 此处的讨论与交流意在使学生认识相对论效应显著与否依赖于运动速度的快 慢 长度收缩和时间膨胀的效果只有当你以接近光速运动的时候才能注意到 当运 动得非常慢 你可能认为你的车开得很快 每小时 120 千米 但这对于相对论来说 是极慢的 时 相对论效应极其微小 完全可以忽略不计 狭义相对论时空观对人类认识自然和社会的影响是教学中要着重引导学生体会 的 其意义与影响应包含以下内容 1 相对论的创立对人们的思维方式产生了深刻的影响 人们从中领悟 对同