6.1 牛顿眼中的世界 教案 (1)

6.1
牛顿眼中的世界
教案1（鲁科版选修3-4）
学情分析：
学生在此之前对经典物理的理论以及现象已具备一定的基础，这既是学习相对论的基本条件但同时又可能使学生产生思维定势；在指导学生学习这部分内容时，应在经典的时空观与事实发生的矛盾和相对论原理与日常经验的冲突两个方面展开充分讨论。
教学目标：
知识与技能：了解经典时空观的适用范围与局限性，经典时空观与实验事实的矛盾；
过程与方法：从伽利略的相对性原理到牛顿的绝对时空观，再从迈克尔逊-莫雷实验到爱因斯坦提出狭义相对论的两个基本假说，让学生了解人类对时空问题的探索历程，对学生进行科学价值观和科学方法的教育。
情感态度与价值观：了解爱因斯坦相对论的两条基本假设及构建新理论的思想方法，渗透科学方法教育。
重点难点：
1、了解经典物理时空观的局限性以及与相对论时空观的主要区别；
2、经典力学速度叠加公式与光速的矛盾，迈克尔逊-莫雷实验的结果与经典时空观的矛盾。
主要教学策略：本节课作为相对论的第一节内容，要为后面的学习做一个铺垫，开始的事例分析不宜太难，学生对相对论认识是一个逐步深入的过程。
教学过程设计
（一）引入新课
教师：同学们，请回答一个问题“今天早上7点整你们在什么地方做什么事？”
学生甲：我刚出家门正要上学。
学生乙：正在路上赶往学校。
学生丙：我也刚出家门。
教师：刚才的问题涉及两个虽基本但并不简单的概念。“早上7点整”表示时间坐标位置，“在家里”表示是空间坐标位置。可是究竟什么是时间，什么是空间，这是两个很难回答的问题；不同的时代不同的人有不同的看法，对时间和空间的看法称为时空观。就刚才甲、丙两位同学7点整走出家门这件事来说，通常情况下我们可以说他们是同时出发的，而对另一个观察者（如爱因斯坦）却说不一定同时，你们的看法呢？现在，我们就来一起来讨论“时空”这个问题。
（二）新课教学
第一个环节：经典物理学与相对论的一个最基本的区别就在于对时间与空间的认识，但日常生活中很难观察到相对论的效应，所以新课的引入应先从学生身边习以为常例子出发，从中找出经典物理与事实之间的矛盾。
教师：从亚里士多德到伽利略，又从牛顿到爱因斯坦，人类对时空观的认识经历了多次的变革。经典时空观以牛顿为代表，牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中写到：“绝对空间，就其本性来说，与任何外在的情况无关，始终保持着相似和不变”，“绝对的、纯粹的数学的时间，就其本身和本性来说，均匀地流逝而与任何外在情况无关。”归纳起来，就是空间、时间和“外在的情况”这三者是相互独立的、无相互关系的，空间的延伸和时间的流逝都是绝对的。这种时空观由于与我们日常经验及观测（宏观、低速的情况下）基本一致，所以在很长一段时间内这种时空观占据主导地位。现在请同学们阅读课本，来了解经典力学的相对性原理。
指导学生阅读：（1）经典力学的相对性原理；（2）经典力学的伽利略变换。
建议：经典力学的相对性原理在事例除了司南版物理教材中的抛体运动外，还可介绍霍金《时间简史》中的在匀速运动的火车上打乒乓球的事例：“……在火车上打乒乓球，将会发现，正如在轨道边上的一张台桌上一样，乒乓球服从牛顿定律，所以无法得知是火车还是地球在运动……”。
板书：（1）力学规律在任何惯性系中都相同的，（2）经典力学的伽利略变换数学表达式……。
教师：经典时空观认为，光速是相对的，满足速度合成公式。现在请同学们来讨论一个问题：假设有这样一个情景，一节车厢长为2L，车厢正中央有一盏信号灯，旁边站着一个人甲，车厢以v的速度作直线运动；另外，轨道旁的站台上也站一个人乙，他相对地面静止。当车厢正中央通过乙的同时，信号灯发出脉冲闪光，脉冲闪光向前、向后分别射向车厢的前后壁；请同学们用经典时空观讨论一下，甲、乙两人对闪光传到车厢的前后壁这两件事的看法是否相同。
（为使学生易解，教师可在黑板上画一幅简笔画）
（学生分组讨论时，教师来回巡视，注意旁听有代表性的意见）
教师：现在请同学来汇报讨论结果。
学生：用经典物理学的速度叠加原理，在车厢中的甲认为光相对车厢（无论向前还是向后）的速度为c，所以闪光到达前后壁的时间都是L/c，甲的结论是：闪光同时到达车厢的前后壁。而站在地面的观察者认为因光源以v的速度向前运动，所以光向前传播的速度为（c
+
v），向后传播的速度为（c-v），但由于车以v向前运动，所以两束光相对车厢传播速度都为c，地面的观察者也认为两束光同时到达车厢的前后壁，这两件事是同时的。
教师：这个结论说明了在绝对时空观中，两个同时发生的事件，在不同的惯性参考系中测得的结果也是同时的；暂且不说这种观点正确与否，但它与日常经验基本是一致的，原因是光速远大于车的速度。
让我们再来讨论另一个例子：设甲乙两人玩投手球运动，甲投球、乙接球。两个人相距L，假设甲投球的速度为v，现在甲开始投球，问：乙是先看到甲投球的动作，还是先看到球飞离甲的手中（在空中运动）？
（学生讨论）
预测1：学生的回答可能有如下：
（1）应先看到投球动作，后看到球飞离手中。
（2）用速度合成公式得出甲投球动作的光线到达乙的眼睛的时间为,球飞离手中的光线到达乙的眼睛的时间
，结论是乙先看到球飞离甲的手中，再看到甲的投球动作。问题1：教师要引导学生认识“乙先看到球飞离甲的手中，再看到甲的投球动作”这个结果按速度合成公式计算是对的，但与实际情况是不一致的，我们在日常生活中是不可能看到这种颠倒先后的怪现象；引导学生认识速度合成公式不能用于光速。
教师：刚才的事例说明了什么问题？
学生：光速不满足速度合成公式。
学生：光是电磁波，经典力学的相对性原理对光波不适用。
教师：对，在电磁学的领域，经典物理的相对性原理遇到了困难，这个困难就是与光速有关。自从麦克斯韦预言了光的电磁本质及电磁波的速度后，物理学家们就在思考，这个速度是对哪一个参考系的？当时最有代表性的是“以太假说”。
第二个环节：引导学生研读课本，了解迈克尔逊-莫雷实验的结果与经典时空观的矛盾，爱因斯坦相对论的两条基本假设及构建新理论的思想方法。
指导学生阅读：（1）“以太假说”，（2）迈克尔逊-莫雷实验。
建议：阅读过程中，要引导学生思考几个问题：（1）迈克尔逊-莫雷实验的目的：寻找“以太”（检验“以太”的存在），测量地球相对“以太”的速度；（2）光速很大，一般物体的速度都很小（包括地球），即使不同方向的光速是不同的，我们也很难测量出来，迈克尔逊-莫雷实验如何解决这个问题？巧妙之处是不去测量不同方向的光速值本身，而是利用光的干涉现象去测量不同方向的速度之差。
教师：迈克尔逊-莫雷实验结果：光束沿不同方向的速度相等为c，说明了什么？
学生：说明了要么地球相对“以太”的速度为零，要么“以太假说”是不对的，两者必居其一。
教师：我们来看一看，爱因斯坦是如何解决在个问题的。
（建议根据使用教材的内容，指导学生阅读教材，或教师补充介绍爱因斯坦的解决办法、狭义相对论的两个基本假设）
教师：请同学们归纳一下爱因斯坦解决问题的方法。
学生：爱因斯坦否定了“以太”的存在，抛弃了经典的时空观，根据实验事实，提出了狭义相对论的两条基本假设。
学生：（1）狭义相对性原理：物理规律（力学、电磁学、光学等）对于所有惯性系具有相同的形式。其意思是一切客观真实的物理规律在任何惯性系中的表述形式应该完全相同，与所参照的坐标系究竟是用两个在相互匀速移动着的坐标系中的哪一个无关。
（2）光速不变原理：在任何惯性系中，光在真空中的速度为c，与光源运动和观测者的运动无关。
教师：伽利略的相对性原理与相对论的相对性原理有何不同之处？
学生：伽利略的相对性原理指的是在惯性参考系中力学规律都相同，而相对论的相对性原理将其推广到力学、电磁学、光学等物理规律。
教师：我们再来分析上面抛球的事例，用光速不变原理来分析，会不会得投球与球飞离手中两个事件先后颠倒的现象？
学生：不会，因为光速不变，投球动作的光线先到达人的眼中。
教师：现在我们回到开始的问题，假设甲同学的家里距离学校2000M，丙同学的家里距离学校500M，设我们在学校能看到两位同学的家，那么我们用光速不变原理来判断一下：我们在学校观察，两位同学是否同时走出家门？
预测2：学生可能有以下回答：
（1）他们是同时出门的（没有考虑光的传播时间或认为光速太快）；
（2）假如他们是同时出发的，那么，我们在学校看到是丙比甲提早出发（时间差等于0.000005秒）
（3）如果我们看到他们是同时出发的，那么甲同学应该比丙同学出发的时间更早一些。
说明2：教师应作引导，使学生明白，我们平常没有意识到这个问题是因为光速太快了，我们无法查觉，但却是客观存在的；对大尺度的天体，这种时间差是很明显的，如太阳表面发生的事件需经八分钟多的时间我们才能知道，对遥远的天体，我们看到的是时间上更早的情况，甚至达到一百多亿年前。
教师：从上面的例子出发，同学们思考一下，你对时间问题有何新的认识？
学生：时间不是绝对的，时间与空间有关，也与物体的运动是有关。
（三）小结：
教师：最后，我们总结一下相对论的时空观，并与经典物理的时空观进行比较。
（学生回答，教师板书）
（1）
经典物理的时空观：空间和时间是脱离物质而存在的，是绝对的，空间和时间也没有联系的。
（2）
相对论的时空观：有物质才有空间和时间，空间和时间与物质的运动状态有关。
教师：有关相对论时空问题我们将在下一节课再作进一步的讨论，对于上面车厢中闪光到达车厢前后壁的问题，请同学们课后用狭义相对论的两条基本原理分析一下。
体会与反思:
本节教学案例设计从学生身边熟悉的事例出发，提出时空观的概念，又通过事例的分析和讨论让学生认识在宏观、低速的情况下，经典时空观的结论虽与日常经验及观测基本一致，但在某些情况下却发生了矛盾，而发生这些矛盾的主要原因是由光速引起的；接下来再通过阅读课本，让学生了解迈克尔逊-莫雷实验的结果与经典时空观的矛盾，最后再介绍爱因斯坦解决矛盾的方法。另外也同时让学生了解伽利略的相对性原理与相对论的相对性原理的不同之处：前者指在惯性参考系力学规律都相同，后者推广到力学、电磁学、光学等物理规律。在整个过程中，学生能从事例中去初步领会时间与空间、时间与物质的运动的关系。
本节课的教学通过问题引入、课本阅读、事例分析等手段由浅入深，逐步引导学生认识相对论的时空观，消除了学生对相对论的神秘感及对学习相对论的畏难情绪，另外从伽利略的相对性原理到牛顿的绝对时空观，又从迈克尔逊-莫雷实验到爱因斯坦提出狭义相对论的两个基本假说，使学生受到一次科学方法教育。