必修2《经典时空观与相对论时空观》的教学方案

1、必修2经典时空观与相对论时空观的教学方案一、课程标准要求必修2中第五章的第二节经典时空观与相对论时空观。新课程标准中对这部分的内容标准为“初步了解经典时空观和相对论时空观，知道相对论对人类认识世界的影响。” 二、教学内容分析必修2中的第五章经典力学与物理学的革命是必修模块里的最后一章。整章内容以定性介绍为主，偏重于对物理学发展的了解与认识。这章书首先总结了经典力学的发展历程和伟大成就，然后提出其局限性，从而引出物理学的革命相对论和量子论。在必修2物理教师教学用书中有这么一段：“由于本章属必修模块，理论学习难度不宜太大，知识技能目标以了解和认识为主；侧重于通过了解在物理学发展中重大理论的发现过程

2、来认识物理学的科学研究方法和建立全面的、发展的科学观。本章既是对必修系列内容的总结，又通过物理学的发展历程向学生展示了更为广阔的物理世界观，同时使学生获得扩展性的知识和了解物理学发展的前景。”经典时空观与相对论时空观是该章书第二节。本节书的基本内容如下：（一）由“光在空间是如何传播的？”引出对时间和空间的思考。（二）经典时空观。由参考系的概念引入经典时空观。 1参考系 （1）惯性参考系：凡是牛顿运动定律成立的参考系，简称惯性系。 （2）非惯性参考系：牛顿运动定律不成立的参考系，简称非惯性系。 2伽利略相对性原理 对于所有的惯性系，力学规律都是相同的。或者说，一切惯性系都是等效的。 3经典力学的

3、时空观，即绝对时空观 时间和空间是彼此独立、互不关联，且不受物质或运动影响的某种东西。 4经典力学的几个具体结论： （1）同时的绝对性 （2）时间间隔的绝对性 （3）空间距离的绝对性（三）相对论时空观。 1光的传播的矛盾 2狭义相对论的基本假设 （1）相对性原理 （2）光速不变原理 3狭义相对论的基本结论 （1）“同时”的相对性 （2）运动的时钟变慢 （3）运动的尺子缩短 （4）物体质量随速度的增加而增大三、教学重点与难点这节书的课时安排建议是一个课时，要在短短的四十分钟里说清楚这么多的知识点是比较困难的，因此这节书我们只能做简单的定性的介绍。而相对论时空观是整章书的难点，也是整节书的重点与难

4、点，因此也要说清楚这部分的内容，不能过于简单。这节书的重点是相对论时空观，而“同时”的相对性又是其中的重点，讲清楚这一知识点是十分重要的。还要注意经典与相对论时空观的比较与联系。这节书除了要求学生了解经典时空观与相对论时空观，最重要是要学生了解相对论时空观的意义，其对物理学，社会甚至哲学的影响；还要学习爱因斯坦的思想和学习方法。四、教学过程设计思想这节课主要有两个部份，一是经典时空观的归纳与总结，一是狭义相对论时空观的介绍与学习。由经典时空观上升到狭义相对论时空观，这节课强调对学生思维的转变。在本节书的教学中，尤其是狭义相对论时空观的介绍与学习中，我运用了“引导发现式”的教学模式。该模式是以问

5、题解决为中心，注意学生独立活动，着眼于思维力和意志力培养的教学模式。它是依据杜威、布鲁纳等人所提倡的“问题假设推论验证”程序，并结合我国的一些教育工作者的教学成果归纳而成的一种教学模式。在这节书中，有四处地方需要进行“讨论与交流”，也就是说，老师需要引导学生进行思考并归纳总结知识点，要改变“老师说，学生记”的局面，而是要以学生为主体。有一个学生曾经说过“只是告诉我，我会忘记；只是演示给我，我会记住；如果让我参与其中，我就会明白。”只是知识的学习，学生只会机械地记忆，没有兴趣；但是过程吸引、有趣，便引起学生的求知欲，加深记忆。物理是一门和生活息息相关的学科，在教学过程中多与生活联系，多让学生走近

6、生活中的物理，是提高学生兴趣、加深学生印象的好方法。因此，在教学过程中，我多次运动课件、视频资源进行讲解，以加深学生的印象。现在教学都要求自然科学与人文知识相结合，培养全面发展的人才。因此，在教学过程中，还要渗透物理学的人文知识和科学方法。五、教学过程1、引入：老师：（拿出一只表和一把尺子）很多同学在上课的时候总会看表想着还有多久下课，教案离饭堂的距离有多远。我手中的表和尺子就是大家经常用来测量时间和空间的工具。那么，到底时间和空间是什么呢？学生：（不知道怎样回答）时间就是时间，空间就是我们生活的世界。老师：现在科学家都同意一种“宇宙大爆炸”的理论，认为我们的宇宙开始于150亿年前的一次大爆炸

7、。那么，在大爆炸之前，时间和空间存在吗？到底，时间、空间是什么？我国古代神话中有“天上一天，地上一年”的说法，这种说法是真的吗？这些问题一直困扰着人们，也让在座的同学们也开始迷惑了。通过今天的学习，大家对时间和空间将有一个崭新的认识。2、惯性系与非惯性系老师：上节课我们讲的是经典力学的成就与局限。我们知道，在研究一个物体的运动时，必须选择一个参考系。我们现在来看一下书中93页的“讨论与交流”：在匀速前进的车厢中的自由落体，相对于车厢静止的观察者做什么样的运动？相对于地面静止的观察者做什么样的运动？学生：以车厢为参考系做自由落体运动，以地面为参考系做平抛运动。老师：对！（让学生在黑板上做出轨迹）

8、图5.1 小球的不同轨迹老师：可见，对于同一物体的运动，选择的参考系不同，对它的运动的描述就不同。大家再看到书中两个小球的例子。（学生看书）（课件打出表格）参考系小球运动状态是否符合牛顿运动定律地面自由落体是其中一个小球静止否那么，我们把凡是牛顿定律成立的参考系，称为惯性参考系，简称惯性系（inertial system）；而牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系。像上面表格中，地面是惯性系，所有相对于惯性系做匀速直线运动的参考系都是惯性系；做自由落体的小球是非惯性系，所有对于惯性系做变速运动的参考系为非惯性系。3、伽利略相对性原理那么，同学们看看书中94页的“讨论与交流”。学生：（讨论）匀速

9、运动是物体运动的方向不变，速率不变； 老师：没错。通常我们是以什么作为参考系？学生：地面。老师：对。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。那么第二个问题呢？学生：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、加速度和遵循的力学规律是相同的。老师：能举一些例子吗？学生：第一个“讨论与交流”中，小球不管相对地面还是车厢，都只受重力的作用，因此加速度是一样的；我们坐火车时，在火车匀速前进时，在车上的感觉和在地面没有不同。老师：是的。其实对于所有的惯性参考系，力学规律都是相同的；也就是，一切惯性系都是等价的，这一结论就是伽利略相对性原理。由这

10、一原理，我们无法判断两个相对运动的惯性系哪个是绝对静止，哪个是绝对运动的。就像我们平时坐车，看到对面的车厢在动，但分不清到底是对面的车厢启动还是自己乘坐的车厢启动。4、绝对时空观为了描述物体的运动，牛顿设置了参考系，他定义惯性系为相对于绝对空间静止或做匀速直线运动的参考系。我们知道，描述物体的运动一定要有时间和空间两个要素。牛顿认为，时间是绝对的，永远均匀地流逝；空间也是绝对的，从不运动，也永远不变。时间与空间都与任何外界无关，彼此独立、互不关联。这就是经典力学的时空观，也就是绝对时空观。请一个同学将经典时空观的几个结论读出来。学生：（1）同时的绝对性；（2）时间间隔的绝对性；（3）空间距离的

11、绝对性。老师：大家看看书中的解释，然后举一些例子。学生：（1）我在公车上看到红灯亮的同时，在站台等车的人也看到红灯亮； （2）我的手表走了一分钟，老师的手表也走了一分钟； （3）地面上测的公车长度和在公车上测的结果是一样的。老师：对！这些都是我们平时日常生活中所经历的。在生活中，我们还知道，我现在重50kg，不管怎么运动，我的质量是不会改变的。即在经典力学中，时间、长度和质量都与参考系的运动无关。那么，经典的是不是就一定是正确的呢？答案当然是否定的。下面，我们来看看另一种截然不同的时空观。5、狭义相对论基本假设老师：我们看到书中图521。（结合配套课件H02502）由经典物理学我们知道，当乘客

12、运动方向与火车相同时，他相对于观察者的速度是火车速度与乘客相对火车速度之和；相反时为速度之差。那么，如图522所示，若车上的有一光源，那光源发出的光相对于观察者的速度是多少？学生：火车的速度与光的速度之和。老师：大家都一直这么认为，但是科学家们通过观察和实验发现：无论淘汰和观察者如何运动，光速只能是c。为了解决上述矛盾，爱因斯坦于1905年提出了狭义相对论。大家看到书中95页中间，狭义相对论的理论是在两条基本假设上建立起来的：（1） 相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。（2） 光速不变原理：不管在哪个惯性系中，测得的真空中的光速都相同。第一个基本假设就是我们前面所说的伽利

13、略相对性原理，第二个原理则是由实验检测是正确的。由两个基本假设出发，我们就可以观察到一个不同的世界。6、同时的相对性刚刚我们学习到，在经典力学中，同时是绝对的，那么在狭义相对论的理论中，“同时”是怎样的概念呢？我们来看书中的这个实验并思考96页的“讨论与交流”。学生：（讨论）小明和小芳都应该看到门同时打开。老师：我们的经验告诉我们是这样。但事实是什么的呢？学生：小明看到两门同时开，但小芳会看到后门先打开，因为灯光传递到前门的距离大于传递到后门的距离。而光速不变，灯光跑较长的距离需要较多的时间。老师：这位同学把书中的解释说了一遍，那你们是否理解书的的解释呢？学生：不太明白。老师：这是比较难理解，

14、但看了下面的动画，大家应该就容易理解了。（演示配套课件H02503）当车厢不运动时，两人都是看到门同时开。车厢运动时，光速相对于小明不变，灯光传递到前后门的距离相同，所以小明看到两门同时开启；图5.2 以小明为观察者对于小芳来说，光速不变，但因为车厢运动，灯光传递到前门的距离大于传递到后门的距离，所以灯光先到达后门，即小芳将看到后门先开启。图5.3 以小芳为观察者对车厢这个参考系来说是同时发生的事件，对于站台这个参考系并不是同时的，有没有明白？学生：大概了解了。老师：我们再来看一个FLASH，就可以更加形象、清楚地理解这一概念了。（播放FLASH同时的相对性） 图5.4 以车厢为参考系 图5.

15、5 以地面为参考系可见，同时是相对的，两个事件是否同时发生，与参考系的选择有关。7、钟慢效应老师：这是与经典力学第一点结论的不同，那么，在经典力学中时间间隔的绝对性在狭义相对论理论中又会变成怎样呢？（演示配套课件H02504） 图5.6 运动的时钟变慢由课件可以发现，静止的时钟过了一个小时，运动的时钟只过了40分钟，运动的时钟变慢了。狭义相对论理论中，时间和空间并不是独立的，而是相互联系的，时钟运动的越快，时间过得越慢。这是相对论的第一个效应，叫“动钟变慢”或“时间延缓”效应。这一思想是让人难以理解的，实践是检验真理的唯一标准，这一个效应是经过实验验证的。1971年，美国人就把原子钟放到喷气式

16、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。这种差别主要是由“时间延缓”效应引起的。飞机的速度远远低于光速，但已有微小的差别，那么如果以接近光速的速度运动，差别不可忽视。还有一个实验也可以说明，那就是测量高速运动介子的寿命，发现比静止介子的衰变寿命要长很多。“天上一天，地上一年”古代神话中的说法。从这句话中我们可以猜想如果真的有神仙，那么他们的运动状态会是怎样的？学生：相对我们高速运动。老师：怪不得在神话中神仙都会飞，原来这是不老的秘诀啊！8、尺缩效应老师：相对论的另一个效应是“运动的尺子缩短”。（演示配套课件H02505）我们让同学来总结一下

17、。 图5.7 运动的物体沿运动方向收缩学生：物体长度在运动方向上比静止时短。 图5.8 长度收缩的相对性老师：那么汽车和小孩的现象说明什么？学生：长度收缩是相对的。老师：对，空间的大小并不是绝对的，而是相对的，那么三把尺子的现象又说明了什么呢？ 图5.9 长度收缩与速度的关系学生：运动得越快，长度越短。老师：对。刚刚说了相对论中，时间与空间是相互联系的，其实“时间延缓”与“尺缩效应”也是相对的。像上面太空船在两个星球间运动，太空船上的时钟变慢也可以看作是在太空船上会看到两星球间的距离变短，所以相对于太空船来说，不用一个小时就到达了目的地。反之，如果说是发生“时间延缓”效应，太空船上运动的时间变

18、慢，运动速度不变，则其运动的距离变短，所以会发现两星期间的距离变短。时间和空间是相互联系，不是独立的，狭义相对论的时空观主要是这三个理论：（1）同时的相对性；（2）运动的时钟变慢；（3）运动的尺子缩短。这三个结论构建了一个和经典时空观完全不同的时空观。9、质量与能量老师：其实还有一个相对论效应就是：物体质量随速度的增加而增加，当速度接近光速时，质量趋于无限大。爱因斯坦还建立了相对论力学，完善了经典力学。经典力学只是相对论力学在低速下的近似。爱因斯坦还给出了著名的质能关系式：铀原子核裂变成两个小的原子核时，由于很小一点的质量亏损，会释放出巨大的能量。这就是质能方程众多结论中的一个。1945年在广

19、岛上空爆炸的原子弹充分验证了这一结论。质能方程为原子核物理学的发展和应用提供了根据。（播放原子弹爆炸的视频）老师：你们是不是有疑问为什么我们都没有这种感觉呢？这是因为当物体的运动速度达到光速的十分之一，其长度收缩也只不过是百分之五，在生活中的速度远远低于光速，所以我们在生活中无法感觉到相对论效应的。感觉不到不代表没有，相对论效应是被严格证明存在的。所以，眼见不一定为实，学习物理一个重要的原则就是尊重实验的结果，以事实说话。10、狭义相对论的意义与影响老师：狭义相对论时空观对人类认识自然和社会的影响与意义是重大的：（1）狭义相对论的建立解决了古典物理学危机，完善了经典物理学理论，与我们将要学到的

20、量子力学成为现代物理学的两大支柱，推动着现代物理学的发展。（2）狭义相对论的时空观打破了牛顿时空观的绝对时空的概念，让人们重新审视我们周围的世界。爱因斯坦的狭义相对性原理和光速不变原理要求人们放弃所有时钟测量到的那个普适的时间概念，结果是，每个人都有他自己的时间值：如果两个人是相对静止的，那么，他们的时间就是一致的；如果他们间存在相互的运动，他们观察到的时间就是不同的。而大量的实验证明了爱因斯坦的这个思想是正确的。（3）狭义相对论的建立体现了许多哲学思想。爱因斯坦是一位十分喜欢哲学的科学家，他坚持了一个自然科学家必然具有的自然科学唯物论的传统，从大量事实出发，批判地看待这些问题，并用辩证统一的方法归纳出正确的理论。而狭义相对论的基本假设和结论被后来一系列的实验事实证明是正确的，进一步说明了实践是检验