《经典时空观与相对论时空观》教案(1)(1)

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》。

“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。