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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