《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