3. 时间、长度的相对性优秀教学设计内容

时间和空间的相对性

（1）同时的相对性

（2）运动长度的收缩

（3）时间间隔的相对

知识与技能

（4）了解时空相对性的验证

（5）了解相对论时空观与经典物理时空观的主要区别

三

维

目

标

（1）理解同时相对性的推演过程

过程与方法

（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

（1）体会相对论崭新的时空观，体会相对论的建立情感态度与价值观

对人类认识世界的影响。

（2）辩证地看待经典物理理论

从“同时”的相对性得出运动长度和时间间隔教

学

重

点

的相对性

从“同时”的相对性得出运动长度和时间间隔教

学

难

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的相对性

个

人

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主

页

一、“同时”的相对性

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

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

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

让学生自己分析课本上的“思考与讨论”

二、长度的相对性

2

0

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。

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

t0t

2

v1

c

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．

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实和相关结论与传统观念不一致的矛盾基础上，不断发展、不断完善起来的。

vll1c

六、作业

1．假设有一天某人坐在“神舟”号飞船上，以0.5c的速度遨游太空，当他打开一个光源时飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为________，飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为________，在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是________．

【解析】

根据狭义相对论的假设，真空中的光速相对于不同的惯性参考系是相同的，即在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c. 【答案】

c

c

c

2．如图15-1-1所示，思考以下几个问题：(光速用c表示)

图15-1-1 (1)若参考系O′相对于参考系O静止，人看到的光速应是多少？

(2)若参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动，人看到的光速应是多少？

(3)若参考系O相对于参考系O′以速度v向左运动，人看到的光速又是多少？

【解析】

根据狭义相对论的光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系．因此三种情况下，人观察到的光速都是c. 【答案】

(1)c

(2)c

(3)c

3．某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行，如果希望把这路程缩短为3光年，则他所乘飞船相对地球的速度为________．

【解析】

由l＝l0【答案】

0.8c

4．用相对论的观点判断，下列说法正确的是(

) A．时间是绝对的，空间是相对的

B．时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变

C．在地面上的人看来，高速运动的飞船中的时钟会变慢，但是飞船中的宇航员却看到时钟是准确的

D．在地面上的人看来，高速运动的飞船在运动方向上会变窄，而飞船中的宇航员却感觉到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些

E．当物体运动的速度v≪c时，“时间膨胀”和“长度收缩”效应可忽略不计

v1－c2得，3＝5v1－c2，解得v＝0.8c. 

【解析】

时间和空间都是相对的，故选项A、B的说法错误；根据“时间膨胀”和“长v度收缩”效应，选项C、D的说法正确；当速度v≪c时，1－c2≈1，所以“时间膨胀”和“长度收缩”效应可忽略不计，故选项E说法正确．

【答案】

CDE 5．地面上长100 km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30 km/s的速度掠过，则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少？如果火箭的速度达到0.6c，则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少？

【解析】

当火箭速度较低时，长度基本不变，还是100 km.当火箭的速度达到0.6c时，由相对论长度公式l＝l0v1－c2代入相应的数据解得：l＝100×1－0.62

km＝80 km. 【答案】

100 km

80 km

课堂小结：时间间隔的相对性

既然同时具有相对性,时间间隔也就具有相对性,时间间隔相对性的公式为:Δt=,其中Δt为⑧地面的观察者所观察到的时间,Δτ为与钟表相对⑨静止的观察者所测得的时间。