相对论教学设计
选修3-4 第十五章相对论简介
时间和空间的相对性教学设计
一．教学背景
在学习本章节之前，学生们已经学过了牛顿的经典力学、电磁学及光学理论，对经典的力学空间有了一些了解，这对学习本章节有了很好的铺垫。本章主要讲的是爱因斯坦的相对论，它颠覆了经典的力学观，与学生之前所具有的观念有所不同，这对学生来说可能会难理解一些。而本节课是这章的第二节课，主要讲的是狭义相对论的时空特性。虽然学生在之前已经学过了相对论的一些基础理论和变换，但是这些特性与经典力学的结果截然不同，学生会很难理解。所以本节课的重点就是让学生理解这些特性。
二．教学目标
知识与技能
1.了解经典力学时空观与相对论时空观的区别，体会相对论时空观的建立对人类认识世界的影响；
2.理解相对论的几个时空特性，即：“同时”的相对性，长度的相对性，时间间隔的相对性；
过程与方法
1.通过对爱因斯坦侠义相对论的研究过程的学习，了解一种物理思维方法，即面对一个问题，经过逻辑的推理，作出合理的假设；
2. 了解相对论时空特性的推理；
情感态度与价值观
实践是检验真理的唯一标准。爱因斯坦的相对论研究的是我们无法有亲身体会的高速运动的世界，因此学生很难理解以致获得清楚的认识。对此我们应该采取科学的态度对待它，而不是一味地排斥或回避。
三．教学重点
本节课的教学重点是推导相对论的时空特性。
四．教学难点
本节课的教学难点是如何让学生理解相对论的时空特性。
五．教学方法
本节课主要以教师讲授为主。因为本节课主要以推导的方式让学生理解相对论的时空特性。
六．教学过程
回顾知识：
1.狭义相对论基本原理
⑴.相对性原理；
⑵.光速不变原理。
2.洛伦兹变换
)
''('
'
)''(x c
t t z z y y vt x x β
γγ+
===+=
或者 其中βγ2
11-=
>1， c
v =
β )
(''')('x c
t t z
z y
y vt x x β
γγ-
===-=
进入新课（相对论时空特性） 1.“同时”的相对性
在经典力学中，我们认为在某个惯性系中同时发生的两个事件，在其他的参考系中也是同时发生的。例如：以地面为参考系，当放学铃刚开始响的时候，你的家人也刚开始做饭。以此时在此地上空运动的飞机为参考系，铃响和做饭也是同时的。但是在相对论的时空观中，两个参考系观察到的结果可能会是不同的！也许大家会有疑问，那么让我们带着疑问来论证这个观点！ 推导过程： 应用公式：)('x c
t t β
γ-=
现在令
相对静止参考系
相对运动参考系 事件A x 1 ,t 1
'1x ,'1t 事件B
x 2 ,t 2
'2x ,'2t
那么，在相对运动的参考系中的时间差为 '2t -'1t =??
?
??
?
--
-)()(1212x x c t t β
γ 不一定 0 不一定
“同时”的相对性告诉我们：在某个惯性系中被判定为同时发生的两个事件，在另一个惯性系中判定的结果可能会是不同的。 2.长度的相对性
在经典的力学时空观中，运动的物体的长度是不会发生变化的。但是在相对论的时空观中，运动的尺度将会收缩。让我们来推导一下这个结果！ 推导过程： 应用公式：)('vt x x -=γ
现在令在相对运动的参考系中观察物体的长度''120x x l -=（固有长度） 在相对静止的参考系中观察物体的长度x x l 12-= （运动长度）
也许大家会有疑问：为什么在相对运动的参考系中观察到物体的长度是固有长度？ 下面我们举一个例子来解释一下：将一个长度一定的尺子放到一辆运动的车上，在车上的人观察这个尺子，虽然车是运动的，但是人相对于尺子却是静止的，所观察到的是尺子的固有长度。而在地面上站着的人看车上的尺子则是运动的，所以观察到的尺子是运动长度。 此外，无论在那个参考系测量物体的长度，都必须在同一时刻测量，所以t t 21=，''21t t =。 那么
[])()(''
1212120t t v x x x x l ---=-=γ 0
所以l l x x l >=-=γγ)(120,运动的尺度收缩。
思考：为什么我们看到路上行驶的车的长度没有发生变化？ 答：βγ2
11-=
，c
v
=
β，运动的车的速度与光速相比几乎可以忽略不计，所以o ≈β 1≈γ，l l ≈0。
3.时间间隔的相对性
在经典力学中，时间间隔无论在哪个参考系中都是一样的。但是在相对论的时空中，不同参考系中的时间间隔将会发生变化。 推导过程： 应用公式：)''(x c
t t β
γ+
=
现令在相对运动参考系中测量的时间间隔为'''12t t t -=?，前后坐标''12x x = 在相对静止参考系中测量的时间间隔为t t t 12-=?，前后坐标x x 12≠
解释坐标问题：我们用一个例子来说明一下，一辆运动的车的前窗上有个时钟，无论车走到哪里，时钟依旧还在车的前窗上，所以在相对运动的参考系中坐标位置是不变的；而此时在地面上站着的人，看车上的时钟则是运动的，所以前后坐标不相等。 那么
??
?
??
?-+
-=-)''()''(121212x x c t t t t β
γ 0
所以')''(1212t t t t t t ?>-=-=?γ，也就是说运动的时间将会延迟。
思考：为什么在这个推导过程没有用)('x c
t t β
γ-
=这个公式呢？有这个公式能够推导
出运动时间延迟这个结果么？这个问题就留作同学们的课后思考题！
七．教学总结
本节课我们重要讲了相对论的时空特性，包括 1.“同时”的相对性； 2.长度的相对性； 3.时间间隔的相对性。
八.板书设计
时间和空间的相对性
一．”同时“的相对性 二。长度的相对性 三。时间间隔的相对性 回顾知识：
静 动 一。相对论原理
A
x 1 t 1 '1x '1t 动 ''120x x l -= t t 21= 动 '''12t t t -=? ''12x x = 二。洛伦兹变换 B x 2 t 2 '2x '2t 静 x x l 12-= ''21t t = 静 t t t 12-=? x x 12≠ )
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t t z z y y vt x x βγγ+
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