1、5.2 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
2、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，
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、 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 262610 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
10、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
11、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
12、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
13、 521、图 522 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
14、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
15、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 523、524 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
16、 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
17、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 526 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
18、，按车站钟表计需要时间 t1，站台长为 vt1；但是，按火车上乘客的手表计只需要时间 t2，站台长为 vt2由于运动的时钟变 慢，即 t2小于 t1，故 vt2小于 vt1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
19、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
20、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：对同一个事物， 不同的人从不同的角度来观察，观察的结果会有一定的差异所以我们不应当把自己的认 识绝对化，尽管这种认识是合理的相对论时空观使我们摒弃了一些习以为常但却并不正 确的成见，也是人类突破牛顿绝对时空观的束缚，走向现代物理学真理的一场伟大科学革 命。 (2)相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念，揭示了空间 时间的辩证关系以及物质同时空的关系，给出了科学而系统的时空观和物质观，加深 了人们对物质和运动的认识，反映了自然科学的辩证唯物主义倾向，从而使物理学在逻辑
21、 上成为更完美的科学体系。 (3)没有相对论，现代物理学不可能存在狭义相对论在很大程度上解决了 19 世纪以 来出现的古典物理学危机，推动了整个物理学理论的革命，并且为原子物理学的发展和应 用提供了依据；可以说，相对论的建立是现代物理学最伟大的成就之一，对于现代物理学 的发展和现代人类思想的发展都有巨大的影响。 (4)经典力学与绝对时空观可以很好的对付运动较慢的诸如苹果、行星的问越，但在处 理以光速或接近光速运动的物体时却根本无效实际上，经典力学是相对论在低速条件下 的近似可以让学生小结和归纳经典时空观与狭义相对论时空观的主要区别， 如下表所示： 绝对时空观 狭义相对论时空观 光速 相对的 绝对的 同时 绝对的 相对的 时间与空间 与运动无关，绝对的 与运动联系，相对的 质量 与运动无关，不变的 随速度增大而增大 实践与拓展 推荐书目供对“相对论”有兴趣的学生进一步自学和了解相对论的知识。 (四) 小结 （五）作业
