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视频标签：时间和空间,相对性
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视频课题：人教版高中物理选修3-4第15章时间和空间的相对性-辽宁省 - 葫芦岛
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§15-2 时间和空间的相对性
一、教材分析：时间和空间的相对性是狭义相对论的衍生结论，在光速相对于任何惯性参考系相同理论所产生的必然结果。参考系变化而光速不变，必然会产生时间间隔和长度等物理量在不同参考系中的不同。本节课也为广义相对论的学习起到了铺垫作用，起到承上启下的作用。
二、教学目标
（一）、知识与技能： （1）同时的相对性 （2）长度的相对性 （3）时间间隔的相对性
（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 （二）、过程与方法：
（1）通过同时相对性的推演过程理解狭义相对论的两个假设[来源:Zxxk.Com]
（2）利用“同时相对性”得出“运动长度和时间间隔的相对性”，通过这一过程让学生体会相对论时空观。
（三）、情感态度和价值观：
（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 （四）、核心素养目标： （1）通过对绝对时空观和相对论时空观的比较，培养学生的科学思维和科学态度与责任。 （2）通过自然现象与现有理论的冲突培养学生的质疑精神。 三、教学重点、难点
从“同时”的相对性得出运动长度和时间间隔的相对性[来源:学*科*网Z*X*X*K] 四、教学方法
问题导向、理论探究。 五、教学手段
多媒体课件 六、教学过程 （一）、导入
情景导入：播放我为学生拍摄的照片，一张是正常比例的照片，另一张是将人压缩的很瘦的照片。然后教师提出在相对论时空观中这是很正常的现象。达到激发学生学习欲望的目的。
复习：狭义相对论的两个假设 （二）、“同时”的相对性
问题1：车厢长为l，正以速度v匀速向右运动，车厢内中点有一光源同时发出两束光问（1）在车厢内的观察者看来，光是否同时到达两壁？（2）在地上的观察者看来光是否同时到达两壁？
论证过程：在车上的观察者看来，闪光同时到达前后壁，在地上的观察者看来，闪光先到达后壁。因为后壁与车厢中点间距变短了，而光相对于任何惯性参考系速度不变。
问题2：静止的车中央发出一个闪光，在车中的观察者看来光是否同时到达两壁？在水平向左运动运动车上的观察者看来，闪光是否同时到达前后壁？
论证过程：向左运动的车中观察者以自己作为参考系，静止的车是向右运动的。这样就与问题1论证相同了。
问题3：在地面上的人同时看到两个闪电击中左右两棵树，而在水平向左运动的车中人看到哪棵树先被击中？
论证过程：通过上面两个问题的理解我们可以得到结论：在火车上看起来同时发生的事件。在地面参考系看来，先发生相对运动后方的事件。所以先击中左边的那棵树。 （三）、时间间隔的相对性
问题4：这是一列高速火车上发生的两个事件：光源发光和光线经平面镜反射后回到光源位置，设车上的观察者测得两事件间隔Δt′时间，地面上的观察者测得两事件间隔Δt时间，车厢匀速前进速度为v，车厢高h，请问两个时间间隔想等吗？请大家动手推导出这两个观察者测得的时间间隔分别是多少？他们之间有什么关系？
论证过程： 地面上观察者
车中观察者： 光线水平路程vΔt 光线路程s1=2h 竖直路程2h
速度c
总路程s2：
（2
2s）2=（2tv）)2+h2
时间Δt′=
c
h
cs21 时间间隔Δt=
c
s2
得Δt=
2
2
2v
ch
Δt=
2
)(1c
vt
问题5：请同学们用时间相对性猜想“天上一天，地上一年 ”可能发生吗？
V
h V vt/2
论证过程：天上相对地面运动的卫星中的人认为自己的时间是相对静止的时间，他认为地上的时间是相对运动的时间。相对运动的时间（可以是一年)大于相对静止的时间(可以是一天），所以“天上一天，地上一年 ”可能发生。当然地上的人也认为自己的时间要比运动飞船中时间要短。
问题6：为什么生活中我们没有感觉到时间进程的差异呢？
论证过程：生活中速度与光速比起来都非常小。两个时间差异不大。 相对静止时间t=1s,相对运动时间T如下。 V（米/秒） T(秒) 0.1c=3×107
1.01 0.5c 1.15 0.8c 1.67 0.9c
2.29
（四）长度的相对性
问题7：现代社会，我们都用激光测量距离，现在在车厢一端安装激光发射装置，在另一端安装平面镜。激光发射后通过平面镜反射回到发射源处。这样就能测出车长。火车相对地面运动速度为V，一个相对火车静止的观察者测量火车车厢的长度为L0，请写出L0与相对静止测量时间∆t`关系式？
论证过程：如图所示。火车中的观察者精密测得光束往返的时间间隔Δt′后，即可得知直杆的长度L0＝cΔt′/2.
问题8：在车厢外面有另一位观察者也是
用上述方法测量车长L。但是他用的时间是相对运动的时间∆t。车运动的速度为v，请写出L与相对运动测量时间∆t关系式？
论证过程：在以地面为参考系中观测，光束往返的路径长度d1和d2是不等的，从而所需的时间Δt1和Δt2也不等。设火车以速度V沿自身长度的方向运动，它在时间间隔Δt1内走过距离VΔt1，故
同理会有：
，
由此得：
问题9：通过∆t与∆t`关系式推导L0与L关系式。
论证过程：以地面为参考系观测上述测量过程的时间间隔Δt与在火车为参考系本身里的时间间隔Δt′的关系：2
21c
vtt
式中V为火车在以地面为参考系中的速度。
这样就得到L0与L关系式为
问题10:通过长度相对性能否解释刚开始同学照片变瘦的原因？ 论证过程：一定是在水平方向上人与照相机发生了相对运动。
问题11：为什么生活中感受不到长度的相对性呢？
论证过程：因为相对于光速生活中的速度都很小，长度的相对性感受不到。 （五）时空相对性的验证
问题12:请同学们阅读教材：找出科学家是怎样验证时空相对性的？
论证过程：根据相对论，时间在运动中会进行的比较缓慢，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．
（六）、相对论的时空观
问题13:请同学们阅读教材：找出相对论时空观与牛顿物理学的绝对时空观的主要特点？
论证过程：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。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。 （七）、小结 作业 板书设计
§15－2 时间和空间的相对性
一、“同时”的相对性
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 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
二、时间间隔的相对性
三、长度的相对性
一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度小
四、时间和空间的相对性验证 五、相对论的时空观
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