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时空探索——时空观

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)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。

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。

教学过程

新知探究

阿尔伯特•爱因斯坦(Albert Einstein)，美籍德国犹太裔，世界十大杰出物理学家之一，现代物理学的开创者、集大成者和奠基人。同时也是一位著名的思想家和哲学家。

相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由阿尔伯特•爱因斯坦创立，依据研究的对象不同分为狭义相对论和广义相对论。相对论和量子力学的提出给物理学带来了革命性的变化，共同奠定了近代物理学的基础。

相对论（Relativity）的基本假设是相对性原理，即物理定律与参照系的选择无关。狭义相对论（Special Relativity）和广义相对论（General Relativity）的区别是，前者讨论的是匀速直线运动的参照系（惯性参照系）之间的物理定律，后者则推广到具有加速度的参照系中（非惯性系），并在等效原理的假设下，广泛应用于引力场中。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观领域。相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“时间和空间的相对性”、“四维时空”、“弯曲空间”等全新的概念。狭义相对论提出于1905年，广义相对论提出于1915年（爱因斯坦在1915年末完成广义相对论的创建工作，在1916年初正式发表相关论文）。

一、经典时空观

1．惯性系与非惯性系

定义：牛顿运动定律成立的参考系，称为惯性参考系，简称惯性系. 牛顿运动定律不成立的参考系，称为非惯性系．

2．伽利略的相对性原理

概述：对于所有的惯性系,力学规律是相同的,或者说一切惯性系都是等效的．

3．经典力学的时空观

(1)概述：绝对的真实的数学时间,就其本质而言，是永远均匀地流逝，与任何外界无关．绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的，它从不运动，并且永远不变.这就是经典力学的时空观，也称为绝对时空观．

(2)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．

空间是绝对静止不动的(即绝对空间)，时间是绝对不变的(即绝对时间)．空间和时间跟任何外界物质的存在及其运动情况无关．空间是三维欧几里得空间，时间是一维的，空间和时间彼此独立．

二、相对论时空观

1．狭义相对论的两个假设

(1)在不同的惯性参考系中，一切物理规律都相同——相对性原理．

(2)不管在哪个惯性系中，测得的真空中的光速都相同——光速不变原理．

这是爱因斯坦在前人的实验基础上提出的假设，这两个假设就是狭义相对论的基础．

2．狭义相对论的几个结论

(1)“同时”的相对性；

对于光速不变的原理的证明，首先对“同时”这个概念进行了研究：在一个惯性系中同时发生两个事件，在另一个惯性系中可能是不同时的，即“同时”是相对的．

(2)运动的时钟变慢；

时钟相对于观察者运动时，观察者会看到它变慢了，运动速度越快，效果越明显．即运动的时钟变慢．在运动参考系中的时间节奏变缓慢了.(一切物理过程、化学过程乃至观察者自己的生命节奏均变慢了)日常生活中的时间延缓效应可以忽略，在运动速度接近光速时,则变得特别重要．

(3)运动的尺子缩短；

一根沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度小，而在垂直于运动方向上，杆的长度没有变化.

(4)物体质量随速度的增加而增大．

物体运动时的质量比静止时的质量大，且速度越大，质量越大，当速度接近光速时，质量趋于无穷大．

[例1] 属于狭义相对论基本假设的是：在不同的惯性系中(

) A．真空中光速不变

B．时间间隔具有相对性

C．物体的质量不变

D．物体的能量与质量成正比

解析：狭义相对论的基本假设有：(1)狭义相对论的相对性原理：一切彼此做匀速直线运动的惯性参考系，对于描写运动的一切规律来说都是等价的；(2)光速不变原理：对任一惯性

参考系，真空中的光速都相等，所以只有A项正确．

答案：A 练习

在日常生活中，我们并没有发现物体的质量随着物体运动速度的变化而变化，其原因是(

) A．运动中的物体无法称量质量

B．物体的速度远小于光速，质量变化极小

C．物体的质量太小

D．物体的质量不随速度的变化而变化

解析：日常生活中见到的物体的速度都很小，远远小于光速，所以质量变化很小，故B选项正确．

答案：B 【例2】关于时间、长度和质量的测量，下列说法正确的是(

) A．时间均匀流逝，物体的长度一定，它们与参考系的速度无关

B．物体的质量是物体的固有属性，无论在哪一个参考系中测量都是一样的

C．物体的速度越大，物体的质量越大

D．无论是时间、长度，还是质量，其测量都与所选的参考系的速度有关

错因：忽略了经典力学和相对论的适用范围，不知道选项C、D到底哪一个正确．

正解：只有在参考系的速度与光速相接近时，相对论才是成立的，当物体的速度远远小于光速时，尽管速度增加，物体的长度、质量以及过程所经历的时间都可以看成是不变的．

答案：D 练习

对时间、空间的理解，下列说法正确的是(

) A．时间均匀流逝，与外界无关

B．空间从不运动，永远不变，与外界任何事物无关

C．一个事件的发生所用的时间，在不同参考系里测量是不一样的

D．空间与时间彼此独立、互不关联

解析：经典力学认为空间与时间彼此独立、互不关联，这就是牛顿的绝对时空观．当参考系的速度达到可以和光速相比时，时间、空间和物质的运动密切关联，这就是相对论时空观．A、B、D显然是绝对时空观的观点，C是相对论时空观的观点．

答案：C 随堂练习

1．某人坐在匀速行驶或静止的汽车中，下列描述正确的是( C ) A．当他以初速度v0竖直向上抛出一小球，观察到小球仍落到抛出点上这就说明汽车在做匀速运动

B．当他观察到车顶上的雨滴做自由落体运动，则说明汽车做匀速运动

C．当他观察到公路旁的大树做匀速运动，则说明汽车做匀速运动

D．无论选取车内或车外的任何物体作参考系，都无法判断汽车是静止还是匀速运动

解析：由伽利略相对性原理，选汽车内任何物体为参考物，均无法判断汽车做匀速运动或静止，只有选汽车以外的参考物才可以区分汽车匀速运动或静止．

2．尺缩效应是指( B ) A．与尺子一起运动的观察者发现沿运动方向的尺子比静止时要短

B．地面上静止的观察者发现沿运动方向的尺子比静止时要短

C．运动和静止的观察者均发现尺子比静止时短

D．静止的人用来测量运动物体长度时尺子比正常时要短

3．光在真空中的光速为c，一光束以很高的速度在真空中向西运动，某时刻发生一次闪光，经过1 s时间，该次闪光向东传播的距离是( C ) A．大于c

B．小于c C．等于c

D．无法确定

解析：由光速不变原理可知选项C对．

4．以下说法正确的是( BC ) A．经典力学理论运用范围广，大到天体，小到微观粒子均适用

B．经典力学理论的成立具有一定的局限性

C．在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变

D．相对论与量子力学否定了经典力学理论

解析：经典力学具有一定的局限性，只适用于宏观的低速物体，在经典物理中，质量是不随运动状态的变化而变化，在相对论中，物体质量随速度的增大而增大．

5．牛顿运动定律适用于下列哪些情况( AC ) A．人造地球卫星绕地球运动

B．研究氢原子的运动

C．大气的流动，地壳的变动

D．研究原子中电子的运动

6．许多科学家在物理学发展过程中作出了卓越的贡献，下列描述中正确的是( AC ) A．卡文迪许用扭秤测定万有引力常量

B．奥斯特发现磁生电现象

C．开普勒发现行星运动的规律

D．伽利略通过斜坡实验提出了惯性定律

解析：奥斯特实验中发现了电生磁现象，伽利略实验总结出了力不是维持物体运动的原因，牛顿在此基础上，通过归纳总结提出了牛顿第一定律也叫惯性定律．

小结

作业