5.2 相对论时空观简介 教学设计 -2024-2025学年高一下学期物理教科版（2019）必修第二册

教学设计 课程基本信息 学科 物理 年级 高一 学期 春季 课题 相对论时空观简介 教学目标 1．了解相对论的诞生及发展历程。 2．理解狭义相对论中时间和空间的相对性。 3．了解广义相对性原理和等效原理。 4．初步认识狭义相对论和广义相对论的内容和基本原理。 教学重难点 教学重点：通过本节内容的学习，认识科学假设在科学发现上的重要作用，进一步理解逻辑推理的力量。 教学难点：通过本节内容的学习，激发探索宇宙奥秘的兴趣，形成初步的相对论时空观。 教学过程 一、导入新课 教师课件出示PPT“人在舟中，闭牖而坐，舟行而人不觉。”及对应配图，引导学生思考激发学生对相对论的兴趣。 设计意图：通过文学情景引发学生的民族自豪从而引起学生学习的兴趣。 二、新课讲授 （一）相对论的诞生 教师课件出示“绝对时空观”及对应配图， 时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的。这种绝对时空观，也叫牛顿力学时空观。 麦克斯韦电磁场理论（真空中的光速是一个常量，在不同惯性参考系中应当有相同的值，这与经典力学相矛盾。） 提出了挑战：要么否定特殊参考系的存在，要么放弃麦克斯韦电磁场理论。爱因斯坦选择了后者，提出了两条假设： （1）对不同的惯性系，物理规律（包括力学的和电磁学的）都是一样的； （2）光在真空中运动的速度在任何惯性系中测得的数值都是相同的。 在这两个基本假设的基础上，爱因斯坦于1905年创立了狭义相对论。 设计意图：了解爱因斯坦创立狭义相对论的过程，初步体会创立科学理论的基本方法。 （二）狭义相对论 1．同时的相对性（学生活动一：探究同时相对性） 同时是相对的，是指相隔一定距离发生的两件事，在一个参考系中观测是同时发生的，在相对于此参考系运动的另一个参考系中观测就可能不是同时，而是一先一后发生的。 思考：（1）同时为什么是相对的？ （2）假设一列火车在平直的轨道上以很高的速度u匀速驶过站台，在车厢的正中放有一个闪光灯。现在使该灯发出一次闪光向周围传播。闪光照到车厢的前壁和后壁，是两个事件。在车上观测和在站台上观测，他们认为这两个事件是同时发生的吗？即闪光是同时到达前后壁的吗？ 解析：假设一列很长的火车在沿平直轨道飞快地匀速行驶，车厢中央有一个光源发出一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁，这是两个事件。车上的观察者认为两个事件是同时的，在他看来这很好接受，因为车厢是个惯性系，光向前、向后传播的速度相同，光源又在车厢的中央，闪光当然会同时到达前后两壁。 车下的观察者则不以为然，他观测到，闪光先到达后壁，后到达前壁。他的解释是：地面也是一个惯性系，闪光向前、向后传播的速度对地面也是相同的，但是在闪光飞向两壁的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些，到达前壁的时刻也就晚些，这两个事件不同时。 设计意图：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象力 2．运动时钟变慢（学生活动二：体会运动时钟变慢） （1）经典的时空观 某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔总是相同的。 （2）相对论的时空观 某两个事件，在不同的惯性参考系中观察，它们的时间间隔是不同的。 设Δτ表示相对事件发生地静止的惯性系中观测的时间间隔，Δt表示相对事件发生地以v调整运动的参考系中观察同样两事件的时间间隔，则它们的关系是。 同样的两件事，在它们发生于同一地点的参考系内所经历的时间最短；在其他参考系内观测，这段时间要长些。这一现象称为时间的相对性，也称为“动钟变慢”。 设计意图：感受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。 3．长度的相对性（学生活动三：探究长度的相对性） （1）经典的时空观 在高速驶过站台的车厢，现在要测量车厢上一扇窗户的水平宽度，在车厢内测量，用一根长尺沿窗户的水平边放置。记下两端位置读数，X1和X2。然后相减得出L0，L0称为固有长度，或称静长。 （2）相对论的时空观 大家设想一下，你在站台上拿一根长尺，想测量同一窗户的水平宽度，该怎么测呢？ 在站台上的人以地面为参考系，看到窗户随车厢向前运动。那么，什么时刻记下X1和X2就很关键。如果先记下X1，过一会儿再记下X2，两者之差显然不再是窗户的水平宽度。先记下X2，再记下X1也不行，因为在站台上测量，以地面为参考系，是在不同时刻记下X1和X2。所以无法测出窗户的水平宽度。 现在该怎么办？ 我们进行如下处理，在站台上放一个立柱。观测到窗户的前后端依次通过立柱的时间，记作T0，T0为固有时间，以地面为参考系，窗户水平宽度L=UT0。现在我们换一个角度，从车厢内向外看，以车厢为参考系，看到立柱向后运动，运动距离刚好是窗户的固有长度L0，运动时间记做T。，可以得到L0=UT。 则l、l0、v的关系是：。 这就是狭义相对论的长度变换公式。它说明，窗户在运动时的长度总要比它静止时的长度小（），这一现象常通俗地称为“动尺收缩”。 【讨论交流】（1）如何认识“同时”的相对性？ （2）如何正确理解时间间隔的相对性？ （3）怎样理解长度的相对性？ 设计意图：学生通过有目的、层次渐进的自主思维活动逐步感受理解人类研究高速世界的神奇。 4．相对论质量和能量 （1）质能方程式 爱因斯坦的质能方程：E＝mc2。 质量亏损Δm与对应的能量变化ΔE之间的关系：ΔE＝Δmc。 （2）相对论质量 物体以高速v运动时的质量m与静止时的质量m0之间的关系是。此式中m0是v=0时物体的质量，称为静质量，它是不变的量。 设计意图：理解在科学发展的过程中，发现世界规律的方法。虽然曲折但是仍然在进步。 5．相对论时空观 狭义相对论的时间变换公式和长度变换公式说明，同一段时间或长度在不同的惯性系内测得的结果是不一样的。这就是说，时间和空间的量度是与物体的运动有关的，是相对的。 运动物体的长度测量建立在必须同时进行观测的基础上，说明时间和空间的量度又是相互紧密联系的。 经典时空观是相对论时空观的特殊表现。在低速范围内，在广泛的技术领域，建立在经典时空观的基础上的牛顿运动定律仍然成立。探索太空的宇宙航行能够实现就是明证。 设计意图：通过了解时空观的变革，从中认识物理学的发展与变革，体会相对论对人类认识的世界的影响，感受物理学的发展对推动社会的作用。 （三）广义相对论 1．爱因斯坦有一个基本思想：自然界遵循的规律是统一的。 2．两个基本假设 （1）广义相对性原理：在任何参考系中，物理规律都是相同的。 （2）等效原理：一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。 3．广义相对论诞生（学生活动四：共享知识） 请同学们将课前收集到的广义相对论相关文字资料与视频在小组内分享，并选出本组最有代表性的文字资料或视频进行课堂展示。 （1）引力作用使光波发生频移，从引力势能低处发出的光波在引力势能高处接收到时其频率变低，发生“红移”；相反，从引力势能高处向引力势能低处发射光波，接收到的频率变高，发生“蓝移”。这已被地面上精密的实验证实。 （2）水星绕太阳运动的轨道与根据牛顿万有引力定律计算所得的不一致，这是一个在天文学史上长达百年的困惑。爱因斯坦用新建立的引力场方程取代了经典的万有引力定律，计算结果和实际观测符合得很好解决了天文学上的百年疑难。 （3）当两个天体相互绕转时，会向外界辐射出引力波。引力波的发现证实了广义相对论，并打开一扇前所未有的窥探宇宙的新窗口。 【讨论交流】100多年前人们发现并掌握了电磁波，使得社会发生了一次技术革命，由此人类的生活发生了极其巨大的变化。那么，引力波的发现会给我们带来什么呢？ 广义相对论指出了时间和空间的量度与物体间的引力有关，因而与它们的质量有关。物体因具有质量而使其周围的时间和空间发生了“弯曲”。虽然这种弯曲是我们人体器官感觉不到的，但可以通过各种方法间接地加以确定，而引力正是这种“时空弯曲”的表现。“弯曲”的程度越高，对应的引力也就越强。 在广义相对论中，时空观念比狭义相对论更推进了一步。时间、空间不仅是相对的，组成一个密切联系、不可分割的整体，并且不能脱离整个物质世界而单独存在。 人类对客观世界的认识是不断扩展和深化的，不论多么伟大的人物都只能跑好这场超级马拉松接力中的一棒，经典时空观和相对论时空观就是其中的两棒。 设计意图：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。 三、课堂小结 1、相对论的诞生 2、狭义相对论 3、广义相对论点滴 四、布置作业 搜集相对论相关资料并在班级活动中展示。 学科网（北京）股份有限公司 $$