【教学设计】《时间和空间的相对性》（人教）

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1、《时间和空间的相对性》◆教材分析教科书中第一部分用一个车厢中灯光照火车壁的例子生动的介绍了“同时”的相对性。学生应理解，车上车下两个人的推理根据为狭义相对论的两个假设，理解两人的思考角度。教师应注意介绍例子的同时要带领学生回顾一下狭义相对论的基本假设，防止学生听不懂或者理解不到位。对于长度相对性的内容也是一样的过程。教科书中的主要内容包括同时的相对性、时间间隔的相对性、长度的相对性等。讲述此部分内容教师应注意：一些结论是从基本原理出发且经过逻辑推理并经过实验验证得出的，对于相对论的一些结论学生应弄清其含义。本节内容属于理解性内容，主要的原理及本节涉及的一些结论及实验验证需理清。学生应

2、按照这个思路来学习。◆教学目标【知识与能力目标】1.了解同时的相对性；2.知道运动长度的收缩；3.了解时间间隔的相对性及时空相对性的验证；4.了解相对论时空观与经典物理时空观的主要区别。【过程与方法目标】理解从“同时相对性”出发得出“运动长度和时间间隔的相对性”的过程。【情感态度价值观目标】体会相对论崭新的时空观，体会相对论的建立对人类认识世界的影响。◆教学重难点◆【教学重点】从“同时”的相对性得出运动长度和时间间隔的相对性。【教学难点】从“同时”的相对性得出运动长度和时间间隔的相对性。◆课前准备◆多媒体课件等。◆教学过程一、复习回顾：请同学们回忆一下狭义相对论的两个基本假设答：（1

3、）狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。（2）光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都相同。二、新课教学：（一）“同时”的相对性1.经典的时空观经典的时空观：同时是绝对的，即如果两个事件在一个参考系中被认为是同时的，在另一个参考系中一定也被认为是同时的。2.相对论的时空观相对论的时空观：同时是相对的，即在一个惯性系中“同时”发生的两个事件，在另一个惯性系中可能是不同时的。书中例子：一列火车匀速行驶，车厢中央的光源发出了一个闪光，照到了车的前壁和后壁，车上车下两个观察者的想法不同。车山观察者认为闪光同时到达前后壁，而车下观察者认为车在向前走，两个事件不同

4、时。现象分析：车上车下两个观察者推理的根据相同，都是狭义相对论的两个假设：他们都认为在自己的参考系中闪光向前、向后传播的速度是一样的；他们都认为“时间等于距离比速度”这是正确的，他们谁都没有错。接受了爱因斯坦的两个假设，我们自然会得出“同时是相对的”。由于火车的速度远小于光速，在短暂的时间内，火车前进的距离小，所以地面观察者不会发现闪光到达前后壁的时间差。思考与讨论：同学们自己分析一下课本上的思考与讨论，记住它的结论。（二）长度的相对性（1）经典的时空观：一条杆的长度不会因为观察者是否相对杆运动而不同。（2）相对论的时空观：“长度”也具有相对性，一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比

5、静止的长度小，但在垂直于杆的运动方向上，杆的长度没有变化。（3）相对长度公式：设相对于杆静止的观察者认为杆的长度为l0，与杆相对运动的人认为杆的长度为l，杆相对于观察者的速度为v，则l、l0、v之间的关系为：l=l01-(vc)2。书中例子：结论：一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比静止时的长度小。生活中实例：沿铁路电线杆的距离变短了，面对铁路的正方形布告牌由于宽度变小而高度未变竟成了窄而高的矩形。相向行走的两人，一个说小桥在左，一个说在右。（三）时间间隔的相对性（1）经典的时空观：两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔总相同。（2）相对论的时空观：两个事件，在不同的惯性参

6、考系中观察，它们的时间间隔是不同的，惯性系相对于观察者的速度越大，惯性系中的时间进程进行得越慢。非但如此，惯性系中的一切物理、化学和生命过程都变慢了。（3）相对时间间隔公式：设Δτ表示静止的惯性系中观测的时间间隔，Δt表示以v高速运动的参考系中观察同样两事件的时间间隔。根据一定的数学推导可以得到：Δt=Δτ1-(vc)2。此式具有普遍意义。（四）相对论时空相对性的验证时空相对性的最早证据跟宇宙射线的观测有关。如μ子，寿命为3.0μs。宇宙射线中的μ子速度约为0.99c，μ子生成的高度在100km以上，虽然它只能飞行约890m，但实际上，地面观测到的宇宙射线中有许多μ子，对此现象解释如

7、下：从地面观察者来看，μ子在以接近光速的速度运动，它的寿命比与μ子静止的参考系中的3.0μs要长得多，在这样长的时间内，许多μ子可以飞到地面。从与μ子一起运动的观察者来看，μ子寿命仍是3.0μs，但大地正向他扑面而来，因此大气层的厚度不是100km，而是比100km薄得多，许多μ子在衰变为其他粒子前可以飞过这样的距离。（五）相对论的时空观牛顿物理学的绝对时空观：物理学的空间与时间是绝对分离没有联系的，脱离物质而单独存在，与物质的运动无关。而相对论认为：有物