高中物理人教版选修3-4第15章第2节教案设计《时间和空间的相对性》教案设计

时间和空间的相对性
【教课目的】
知识与技术： 1.理解“同时”的相对性。

2.经过推理，知道时间间隔的相对性和长度的相
对性。

3.经过对两个结论的剖析认识时间和空间是不可以离开物质而独自存在的。

过程与方法： 1.经过时间间隔相对性和长度相对性的推导，培育逻辑推理能力。

2.经过成立相对论时空观，提升学生认识物质世界的能力。

感情、态度与价值观：培育学生对逻辑推理形成的结论要有一个科学的接受态度。

【教课重难点】
要点：同时的相对性，长度的相对性，时间间隔的相对性。

难点：相对论的时空观。

【教课方法】
在教师的指引下，经过对详细实例的剖析，成立模型、形成结论、形成理论，并在应用
中加以稳固。

【教课器具】
投影仪及投电影。

【教课过程】
（一）引入新课
教师：上一节课我们学习了狭义相对论的两个假定。

请同学们回想一下这两个假定的内容。

学生：在不一样惯性参照系中，全部物理规律都是同样的；真空中的光速在不一样惯性系
中都是同样的。

教师：依据这两个假定，我们能够得出那些推论呢？这节课我们持续来学习狭义相对论
的相关知识。

（二）进行新课
一 .“同时”的相对性
教师：第一我们来认识一下“事件”的看法，在这里我们说的事件能够指一个婴儿的诞生，一个光子与观察仪器的撞击或闪电打击地面等等.请大家再举几个例子。

学生：光从光源发出，宇宙中某个星体的迸发，一个车辆的启动等都是“事件”。

教师：下边我们经过一个实例剖析，来看看经典物理和相对论对同时的理解有何不一样。

［投影问题］
车厢长为 L ，正以速度v 匀速向右运动，车厢底面圆滑，现有两只完整同样的小球，从
车厢中点以同样的速率v0分别向前后匀速运动，（相关于车厢），问：（1）在车厢内的观察者看来，小球能否同时抵达两壁？（2）在地上的察看者看来两球能否同时抵达两壁？
L
剖析： 在车上的察看者看来， A 球经时间 t A = 2
=
L
v 0
2v 0
L
L
所以两球同时抵达前后壁。

B 球经时间 t B =
2
=
v 0 2v 0
在经典物理学家看来，同时发生的两件事在任何参照系中察看，结果都是同时的，两 球也应同时抵达前后壁 .这是我们在平常生活中获得的结论。

教师： 假如把上述事件换成两列光的流传，状况怎样呢？ （指引学生，从经典看法和光速不变原理双方面剖析）
学生： 在车上的察看者看来， 闪光同时抵达前后壁，在地上的察看者看来， 闪光先抵达
后壁 .
教师： 为何呢？
学生：依据爱因斯坦相对性原理， 在不一样参照系中全部物理规律都是同样的，
这里匀速
运动规律也同样，据
s=ct 得
t=
s ，车上察看者看来
s 同样， c 也同样，所以
t 同样，而对地
c
面的察看者，光向后位移
s 小，而光速仍旧不变，所以向后运动光需要较短时间抵达后壁。

教师： 剖析得不错， 由此看来，依据爱因斯坦相对性原理和光速不变原理，
我们自然会
得出“同时是相对的”这样一个原理，也就是说，在一个参照系中看来“同时”的，在另一
个参照系中却可能“不一样时”。

教师： 那么为何我们平常不可以察看这类现象呢？
学生： 由于火车速度相关于光速来说太小，
在光流传的短时间内，火车位移不大，我们
不可以发现这么短的时间差 .假如火车速度靠近光速，这一现象必定很明显。

教师：是的，看来经典的时间观摇动了，
相对论给我们展现了高速运动状态下崭新的世
界。

二 .长度的相对性
教师： 下边我们来议论在不一样参照系中丈量一个杆的长度结果会怎样。

投影下列图。

教师：甲图中是一个刻度尺测出的静止的杆的长度，大家看是多少？
学生： 1.2 m
教师：怎么求出的呢？
学生：拿 N 点坐标 9.2 m 减 M 点坐标 8 m 获得的。

教师：乙图中尺仍旧静止，杆水平向右匀速运动，我们应当怎么算杆长？
学生： MN 长或 M′N′长度。

教师：其实这里你是用某时辰N、M 坐标差值或另一时辰N ′、M ′坐标差值获得的.
假如有人用 N′，M 的坐标差值算出杆长是 9.7 m-8 m=1.7 m 明显是没存心义的，它不可以代表杆的长度 .所以我们要丈量这一杆长，就一定“同时”读出杆两头坐标才行。

此刻的问题
是不一样参照系中“同时是相对的”。

教师：请大家看课本图15.2－ 3，地面上的人看到杆的M、N 两头发出的光同时抵达他
的眼睛，他读出 N、 M 的坐标之差为 l，即地上的察看者测到的杆长。

请大家考虑车上的察看
者是同时看到 N、 M 两头的闪光吗？
学生：不是同时看到，他看到N 端先发出光，而
教师：那他以为地上的人观察的长度就是投影图中的所以车上察看者丈量的长度l 0比地上察看者丈量的长度性致使了长度的相对性。

M 端后发出光。

N、M′间距，地上察看者读短了。

l 长，即 l ＞ l0。

正是由于同时的相对
教师：严格的数学推导告诉我们l′和l 之间有以下关系：l l 0 1 ( v) 2 c
由式可见总有 l＜ l 0。

一个杆，当它沿自己方向相关于丈量者运动时，丈量者的丈量结果怎样？
学生：变短了。

教师：若杆沿着垂直自己方向相对丈量者运动呢？
学生：应当同样。

教师：假如一个人在地上量好一根静止杆的长度是l ，他将这根杆带到以0.5c 速度运动的飞船上，坐在飞船上丈量这根杆的长度又是多少？
学生：应当是 3 L，能够从公式 l=l 0 1 (v
)2 求出。

2 c
教师：大家看对吗？
（少量人赞成，多半人缄默）教师指引学生议论，重申参照系的相对运动是长度缩短的
原由，即察看者与被测物间的相对运动才是长度缩短的原由，从而否认上述答案，获得杆长仍为 l 的结果还可发挥学生想像力，鼓舞学生想象高速运动下的长度变化，加深对长度相对性的理解。

三.时间间隔的相对性
［投影课本图 15.2－ 4］
教师：这是一列高速火车上发生的两个事件：假定车箱安装着一个墨水罐，它每隔一
准时间地出一滴墨水。

墨水在t1、 t 2两个时辰在地上形成P、Q 两个墨点，设车上的察看者测得两事件间隔t′时间，地面上的察看者测得两事件间隔t 时间，车厢匀速行进速度为v。

车上察看者以为两个事件的时间间隔：地面察看者以为两个事件的时间间隔：t t 2 t1，t t 2 t1，
依据公式 l l 0 1 (v
) 2 ，经过必定的数学推导能够得出c
t
1 (
v
) 2
t= c
教师：式中t 是与滴管相对静止的察看者测得的两次滴下墨水的时间间隔，习惯上用
希腊字母表示。

于是上式写成t=
1 ( v )
2 c
教师：从上式能够发现哪一位察看者感觉时间长？学生：地上的察看者感觉时间间隔较长。

教师：上式拥有广泛意义。

下边请大家计算一个问题。

［投影］
一对孪生兄弟，出生后甲乘高速飞船去旅游，丈量出自己飞翔30 年回到地面上，乙在地面上生活，问甲回来时30 岁，乙这时是多少岁？（已知飞船速度v= 3 c）
2 剖析：已知飞船察看者甲经时间=30 年，地面上的察看者乙经过时间为
t=
30
年 =60 年=
v
) 2
3
1 ( c
c 1 ( 2 )2
c
可见甲的孪生兄弟已经60 岁了。

学生兴趣盎然，教师指引学生进一步议论激发学生对高速运动状态下的各样过程，比如物理、化学、生命过程变慢进行议论，加深对时间间隔相对性的理解。

教师：经过前面的议论我们看到在不一样参照系中，时间间隔是相对的。

四 .时空相对性的考证
教师：请同学们不要忘掉，时空相对性的巧妙图景都是在两个“假定” 的基础上推出的，它一定接受实验的查验，不然永久是猜想.大家有什么好的方法吗？
学生：想法造出高速运动的飞船或火车。

教师：当前我们还没有方法实现这样高的速度的宏观火车或飞船，但在微观世界，这样的高速是广泛存在的，宇宙射线中的μ子的行为为我们供给了有力的凭证.
寿命 3.0μ s 速度 0.99c
这段时间位移应为 s=vt≈ 0.99× 108×3.0× 3.0×10-6 m≈ 890 m
这样，它在 100 km 高的大气层上方根本不行能抵达地面，而我们却在地面找到了这
100 km 高处的来客，请大家剖析原由。

学生：由于μ子高速运动时的自己存在时间t′老是大于地面察看到的时间t，也就是它的寿命变长了。

教师：很好，大家再从长度相对性角度考虑解说。

学生：在μ子看来，这100 km厚的大气层被变短了，在它的眼里只有890 m ，它能成功穿越。

教师：宏观的凭证是1971 年的铯原子钟的全球飞翔，实验结果与理论切合得很好。

五 .相对论的时空观
教师：下边我们来看看经典物理学的时空观与相对论时空观的差别。

［投影下边表格］
经典时空观相对论时空观
时间天然存在；一分一秒地流逝；与物质运
与物质存在与否及运动状态相关动没关
空间一个大盒子；物质运动的场所与物质存在与否及运动状态相关
联系两者离开，没有联系，独立存在
物质、时间、空间是密切联系的一致
体
合用范围低速运动物体按照经典物理学规律更有广泛意义，宽泛合用（三）讲堂总结、评论
本节课我们经过两个基本假定，推导出了“同时”的相对性，长度的相对性，时间间隔
的相对性。

还经过对微观粒子探测和宏观实验考证剖析掌握了时空相对性的凭证。

经过比较认识了经典物理学和相对论时空观的不一样。