《2时间和空间的相对性》教学设计(安徽省市级优课)-物理教案

§15-2时间和空间的相对性六安市毛坦厂中学陈敏教学目标:（一）知识与技能1．知道狭义相对论关于时空相对性的只要结论2．了解景点时空观与相对论的时空观的主要区别，体会相对论时空观的建立对人类认识世界的影响。3．通过实例，了解事件和空间的相对性，体会相对论时空观与低速世界清净的差异。（二）过程与方法1．理解同时相对性的推演过程2．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（三）情感、态度与价值观1．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。2．辩证地看待经典物理理论教学重点：以爱因斯坦狭义相对论的两个原理为基础，通过对一些简单现象的分析和逻辑推论，得到一些列惊人的结论，所有推论都会与事实相符。教学难点:同时的相对性是本节的难点。教学方法:讲授为主，师生互动。教学过程:（一）引入新课双生子佯谬：狭义相对论中关于时间延缓的一个似是而非的疑难。按照狭义相对论，运动的时钟走得较慢是时间的性质，一切与时间有关的过程都因运动而变慢，变慢的效应是相对的。于是有人设想一次假想的宇宙航行，双生子甲乘高速飞船到远方宇宙空间去旅行，双生子乙则留在地球上，经过若干年飞船返回地球。按地球上的乙看来，甲处于运动之中，甲的生命过程进行得缓慢，则甲比乙年轻；而按飞船上的甲看来，乙是运动的，则乙比较年轻。重返相遇的比较，结果应该是唯一的，似乎狭义相对论遇到无法克服的难题。学习本节课后，同学们就可以初步知道双生子佯谬是怎么回事。（二）进行新课一、“同时”的相对性师：为理解本节的内容，同学们先掌握两个基本假设。知道“同时”的相对性是相对论两个假设的直接推论。讲解过程中要强调理解的出发点必须是两个假设，否则无法理解。两种情景:中点发光情况1：对于运动的火车上同时发生的两个事件，对于地面就不是同时的，车上的观察者认为光同时到达车厢的前后两壁。站台上的观察者认为光先到车厢后壁后到前壁。（提醒学生经典理学理解的重点：运动的独立性原理。）讲解关键：在各个参考系中光速都为c。 情况2：地面上同时发生的两个事件，对于运动的火车也不是同时的。利用相对运动原理，可假设车静人动，人和地面相当于火车，结果与前面相似。学生活动：分析课本上的“思考与讨论”（实行分组教学，学生讨论为主。）二、长度的相对性（穿插物理学史，有张有弛，劳逸结合，培养物理兴趣，提高物理素养）（洛仑兹变换是描述狭义相对论空间中各参考系间关系的变换。它最早由洛仑兹从以太说推出，用以解决经典力学与经典电磁学间的矛盾（即迈克尔孙-莫雷实验的零结果）。后被爱因斯坦用于狭义相对论。另一种产生说法：马赫和休谟的哲学对爱因斯坦影响很大。马赫认为时间和空间的量度与物质运动有关。时空的观念是通过经验形成的。绝对时空无论依据什么经验也不能把握。休谟更具体的说：空间和广延不是别的，而是按一定次序分布的可见的对象充满空间。而时间总是又能够变化的对象的可觉察的变化而发现的。1905年爱因斯坦指出，迈克尔逊和莫雷实验实际上说明关于“以太”的整个概念是多余的，光速是不变的。而牛顿的绝对时空观念是错误的。不存在绝对静止的参照物，时间测量也是随参照系不同而不同的。他用光速不变和相对性原理提出了洛仑兹变换。创立了狭义相对论。）在学生理解相对论的物理背景前提下，直接给出结论，感悟物理学的美感，即简洁，对称，统一。1、要让学生知道长度的相对性(动尺缩短)，是“同时”的相对性带来的一个普遍的时空属性，它与物体的具体组成和结构无关，当物体运动速度越接近光速，这种收缩效应就变得越显著。2、要讲清利用严格数学推导可以得到洛伦兹变换的相对论长度收缩公式。（学生只需要知道）3、要让学生理解长度收缩公式的物理意义，必须注意参考系的选择及参考系的运动状态。三、时间间隔的相对性教学时要分析清楚“动钟变慢”与同时的相对性的联系，使学生知道运动的钟变慢是同时的相对性带来的时空属性。①时间间隔的相对性可以通过长度的相对性的一些简单例子加以说明。②要讲清“动钟变慢”(或时间膨胀)是两个不同惯性系进行时间比较的一种效应，不要误认为是时钟的结构或精度因运动而发生了变化。③教学中特别指出，运动时钟变慢完全是相对的，由于两个惯性参考系是平权的，在它们上面的观测者都将发现对方的钟变慢了。四、时空相对性的验证根据相对论，时间在运动中会进行的比较缓慢，也就是说，在空间中高速移动的时钟，比固定于地面上的时钟走得慢．早在1941年，科学家通过对宇宙线的观测证实了相对论的结论，美国科学家罗西和霍尔在不同高度统计了宇宙线中μ子的数量，结果与相对论预言完全一致．1971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞行，然后与地面的基准钟对照．实验结果与理论预言符合的很好．这是相对论的第一次宏观验证．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：有物质才有时间和空间，空间和时间与物体的运动状态有关。人类对于空间、时间更进一步的认识而形成的新的时空观，是建立在新的实验事