教法分析15.2 时间和空间的相对
15.2 时间和空间的相对性 课件(人教版选修3-4)
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
时间间隔的相对性
由光速不变原理便得 到不同的时间间隔 高速运行的列车上，由车厢底部发出的闪光，对 于车上的人来说，闪光是在竖直方向反射的，而车 厢外的人认为被接收的反射光是沿斜线传播的．
时间间隔的相对性
ct
2 h
vt
2
对于车厢内的人： t 2h c
L=C·t2+v·t2 ③
v·t2
假设：地面观察者看到M发出的光束经N反射后M接受
的时间为t，则有： t=t1+t2
④
联立①②③④可得： l l0
1
v
2
c
结论：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;在垂直运动方向上，杆的长
度没有变化
即：动尺缩短，这是“同时”的相对性带来的一个普遍的 时空属性，他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，这种收缩效上的观察
M
N者认为尺子是静止的：
2L0=c·t0
①
L
M
地面观察者看到光束到N时，所用时间
t1 ，在t1内，尺子向前运动了V·t1 ，L为
N 地面观察者看到尺子长度:
M
V·t1+L=c·t1
②
N
光束经N反射后到达M所用时间t2，在
v·t1
t2时间内尺子的M端向前运动了Vt2
t0 1 v 2
c
三、时间间隔的相对性
（1）经典物理学认为，某两个事件，在不同的惯性参考 系中观察，他们的时间间隔总是相同的
（2）运动的人认为两个事件的时间间隔为，地面观察 者测得的时间间隔为△t，则两者关系为：
人教版高中物理教案-时间和空间的相对性
【教學目標】（一）知識與技能1．理解“同時”的相對性。
2．通過推理，知道時間間隔的相對性和長度的相對性。
3．通過對兩個結論的分析認識時間和空間是不能脫離物質而單獨存在的。
（二）過程與方法1．通過時間間隔相對性和長度相對性的推導，培養邏輯推理能力。
2．通過建立相對論時空觀，提高學生認識物質世界的能力。
（三）情感、態度與價值觀培養學生對邏輯推理形成的結論要有一個科學的接受態度。
【教學重點】同時的相對性，長度的相對性，時間間隔的相對性。
【教學難點】相對論的時空觀。
【教學方法】在教師的引導下，通過對具體實例的分析，建立模型、形成結論、形成理論，並在應用中加以鞏固。
【教學用具】投影儀及投影片。
【教學過程】（一）引入新課師：上一節課我們學習了狹義相對論的兩個假設。
請同學們回憶一下這兩個假設的內容。
生：在不同慣性參照系中，一切物理規律都是相同的；真空中的光速在不同慣性系中都是相同的。
師：根據這兩個假設，我們可以得出那些推論呢？這節課我們繼續來學習狹義相對論的有關知識。
（二）進行新課1．“同時”的相對性師：首先我們來認識一下“事件”的概念，在這裡我們說的事件可以指一個嬰兒的誕生，一個光子與觀測儀器的撞擊或閃電打擊地面等等.請大家再舉幾個例子。
生：光從光源發出，宇宙中某個星體的爆發，一個車輛的啟動等都是“事件”。
師：下面我們通過一個實例分析，來看看經典物理和相對論對同時的理解有何不同。
［投影問題］車廂長為L ，正以速度v 勻速向右運動，車廂底面光滑，現有兩隻完全相同的小球，從車廂中點以相同的速率v 0分別向前後勻速運動，（相對於車廂），問（1）在車廂內的觀察者看來，小球是否同時到達兩壁？（2）在地上的觀察者看來兩球是否同時到達兩壁？分析：在車上的觀察者看來，A 球經時間t A =02v L =02v L B 球經時間t B =02v L =02v L 因此兩球同時到達前後壁。
在經典物理學家看來，同時發生的兩件事在任何參照系中觀察，結果都是同時的，兩球也應同時到達前後壁.這是我們在日常生活中得到的結論。
时间和空间的相对性讲义
1971年铯原子钟实验
将铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东和向西绕地球一周，回到原处后，分别比静止在地面上的钟慢59纳秒和快273纳秒。
地球以一定的角速度向东转，地面不是惯性系，而从地心指向太阳的参考系是惯性系（忽略地球公转）。飞机的速度总小于地球自转速度，所以无论飞机向东还是向西，它相对于惯性系都是向东，只是前者速度大，后者小。而地面上的钟的转速度介于二者之间。
一节长为10米的列车，A在车后部，B在车前部。当列车以0.6c的高速度通过一个站台的时候,突然站台上的人看到A先向B开枪,过了12.5毫微秒,B又向A发射。因而站台上的人作证：这场枪战是由A挑起的。但是，车上的乘客却提供相反的情况，他们说，是B先开枪，过了10毫微秒，A才动手。事件是由B发动的。
在日常生活和生产中，用时钟测量时间，用米尺测量长度，也是司空见惯的事情。无论是运动的描述，还是运动规律的说明，都跟时间和长度的测量有关。对于不同的参考系，长度和时间的测量结果是否是一样的？对上述问题的讨论，物理学经历了一场关于时空观的变革，从牛顿时代的经典力学跨越到爱因斯坦的相对论。爱因斯坦的狭义相对论告诉我们：运动的时钟变慢、运动的尺子在运动的方向上缩短。这到底是为什么？
这暗示着，人要活得更长久，应该不断地向东飞去，使得地球的转动速度叠加上飞机的速度。
五、相对论的时空观
绝对时空观认为时间和空间是脱离物质而存在的，是绝对的，时间和空间之间也是没有联系的。 相对论时空观认为有物质才有时间和空间，时间和空间与物质的运动状态有关。
绝对时空观与相对论时空观的区别：
这暗示着，人要活得更长久，应该不断地向东飞去，使得地球的转动速度叠加上飞机的速度。
上述实验表明，相对于惯性系转速越大的钟走得越慢。这和孪生子问题所预期的效应是一致的。所以似也不应再说：“孪生子佯谬”，而应是孪生子效应了。
【教学设计】《时间和空间的相对性》(人教)
《时间和空间的相对性》教科书中第一部分用一个车厢中灯光照火车壁的例子生动的介绍了“同时”的相对性。
学生应理解，车上车下两个人的推理根据为狭义相对论的两个假设，理解两人的思考角度。
教师应注意介绍例子的同时要带领学生回顾一下狭义相对论的基本假设，防止学生听不懂或者理解不到位。
对于长度相对性的内容也是一样的过程。
教科书中的主要内容包括同时的相对性、时间间隔的相对性、长度的相对性等。
讲述此部分内容教师应注意：一些结论是从基本原理出发且经过逻辑推理并经过实验验证得出的，对于相对论的一些结论学生应弄清其含义。
本节内容属于理解性内容，主要的原理及本节涉及的一些结论及实验验证需理清。
学生应按照这个思路来学习。
【知识与能力目标】1.了解同时的相对性；2.知道运动长度的收缩；3.了解时间间隔的相对性及时空相对性的验证；4.了解相对论时空观与经典物理时空观的主要区别。
【过程与方法目标】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。
【情感态度价值观目标】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。
【教学重点】从“同时”的相对性得出运动长度和时间间隔的相对性。
【教学难点】从“同时”的相对性得出运动长度和时间间隔的相对性。
多媒体课件等。
一、复习回顾：请同学们回忆一下狭义相对论的两个基本假设答：（1）狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。
（2）光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都相同。
二、新课教学：（一）“同时”的相对性1.经典的时空观经典的时空观：同时是绝对的，即如果两个事件在一个参考系中被认为是同时的，在另一个参考系中一定也被认为是同时的。
2.相对论的时空观相对论的时空观：同时是相对的，即在一个惯性系中“同时”发生的两个事件，在另一个惯性系中可能是不同时的。
书中例子：一列火车匀速行驶，车厢中央的光源发出了一个闪光，照到了车的前壁和后壁，车上车下两个观察者的想法不同。
物理：15.2《时间和空间的相对性》PPT课件(新人教版 选修3-4)
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相对论的时空观
牛顿物理学的绝对时空观：物理学的空间 牛顿物理学的绝对时空观：物理学的空间 物理学的绝对时空观 与时间是绝对分离没有联系的 是绝对分离没有联系 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。 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， 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。 空间和时间与物体的运动状态有关。 人类对于空间、 人类对于空间、时间更进一步的认识而形 成的新的时空观， 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， 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。 不断发展、不断完善起来的。
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问题的关键是， 问题的关键是 ， 时间延缓效应是狭义相对论的结果 它要求飞船和地球同为惯性系。 ， 它要求飞船和地球同为惯性系 。 要想保持飞船和地 球同为惯性系， 哥哥和弟弟就只能永别， 球同为惯性系 ， 哥哥和弟弟就只能永别 ， 不可能面对 面地比较谁年轻。 这就是通常所说的孪生子佯谬 面地比较谁年轻 。 这就是通常所说的 孪生子佯谬 （ twin paradox）。 ） 如果飞船返回地球则在往返过程中有加速度， 如果飞船返回地球则在往返过程中有加速度 ， 飞船 就不是惯性系了。 就不是惯性系了 。 这一问题的严格求解要用到广义相 对论， 计算结果是， 兄弟相见时哥哥比弟弟年轻。 这 对论 ， 计算结果是 ， 兄弟相见时哥哥比弟弟年轻 。 孪生子效应。 种现象，被称为孪生子效应 种现象，被称为孪生子效应。 1971年， 美国空军用两组 （ 铯 ） 原子钟做实验 。 年 美国空军用两组Cs（ 原子钟做实验。 发现绕地球一周的运动钟变慢了203±10ns，而按广义 发现绕地球一周的运动钟变慢了 ± ， 相对论预言运动钟变慢184 ± 23 ns，在误差范围内理 相对论预言运动钟变慢 ， 论值和实验值一致，验证了孪生子效应。 论值和实验值一致，验证了孪生子效应。
新课标人教版3-4选修三15.2《时间和空间的相对性》WORD教案1
新课标人教版3-4选修三15.2《时间和空间的相对性》WORD教案1§15.2 时间和空间的相对性学习目标：（1）知道狭义相对论关于时空相对性的主要结论；（2）了解经典时空观与相对论时空观的主要区别，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，了解时间和空间的相对性，体会相对论时空观与低速世界的差异。
学习过程：、【温故知新】上一节课我们学习了狭义相对论的两个假设。
请同学们回忆一下这两个假设的内容：一、“同时”的相对性1.在物理学中，什么叫“事件”？在数学上，一个事件可以如何表示？2.实例分析：车厢长为L，正以速度v匀速向右运动，车厢底面光滑，现有两只完全相同的小球，从车厢中点以相同的速率v0分别向前后匀速运动，（相对于车厢），问（1）在车厢内的观察者看来，小球是否同时到达两壁？（2）在地上的观察者看来两球是否同时到达两壁？分析：在车上的观察者看来，A球经时间t A= ；B球经时间t B= ；因此两球同时到达前后壁。
在经典物理学家看来，同时发生的两件事在任何参照系中观察，结果都是同时的，两球也应同时到达前后壁.这是我们在日常生活中得到的结论。
如果把上述事件换成两列光的传播，情况如何呢？结论：车厢上的人和地面上的人看到车厢中间灯光到达前后车厢的先后是不一样的．车上的观察者认为光到达车厢的前后两壁；站台上的观察者认为光先到车厢壁后到壁；思考与讨论：见教材P99，运动的火车L里，观察者认为，沿着运动方向位置靠前一些的事件A先发生，还是靠后一些的事件B先发生？规律小结：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；（关键：在各个参考系中光速都为c）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；3、观察者站在发生事件的两地之间，迎面而来的事件发生；背离而驰的事件发生。
针对训练1、地面上的人认为A、B两个事件同时发生。
对于坐在火箭中沿两个事件发生地点连线飞行的人来说（图15.2-5），哪个事件先发生？二、长度的相对性下面我们来讨论在不同参考系中测量一个杆的长度结果会如何。
15.2 时间和空间的相对性
二、长度的相对性
一根杆MN沿车厢运动的方向固定在火车上，火车上和地面上都 有一个观察者利用坐标轴测量杆长。
地面观察者认为自己同时测得了杆两端的坐标，而火车上的观察 者认为他不是同时测量的，他认为N端读数先发生，M端读数后发生， 在这期间杆已经相对地面向前运动了一截，所以他认为地面观察者测 得的杆长会比自己测得的数值小一些。
1915年，爱因斯坦创立广义相对论。
一、“同时”是相对的 二、长度的相对性
三、时间间隔的相对性
四、相对论的时空观
l l0
1 v 2 c
t
1 v 2 c
三、时间间隔的相对性
高速运行的列车上，由车厢底部发出的闪光，对于车上的人来 说，闪光是在竖直方向反射的，而车厢外的人认为被接收的反射光 是沿斜线传播的．
对于车厢内 的人：
对于车厢外 的人：
2h c
t 4h2 c2 v2
t
1
v
2
c
运动物体的时间进程比静止时要慢。这称为“钟慢效应”。
从地面上观察，飞船上的时间进程比地面上慢。可是飞船上的人自己没有 这样的感觉。飞船上的人认为地面上的时间进程比飞船上的慢，因为他们看到， 地面正以同样的速度朝相反的方向运动！
第十五章 相对论简介
15.2 时间和空间的相对性
课标解读
1.知道狭义相对论关于时空相对性的主要结论 2.了解经典时空观与相对论时空观的主要区别，
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，了解时间和空间的相对性，体会相对
论时空观与低速世界情境的差异
一、同时的相对性
假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶。车厢中央的光源发 出了一个闪光，闪光照到了前壁和后壁。
人教版选修3《时间和空间的相对性》说课稿
人教版选修3《时间和空间的相对性》说课稿一、教材分析1. 教材背景《时间和空间的相对性》是人教版选修3中的一篇重要课文，是高中物理选修课中的一部分。
该篇课文主要介绍了相对论的基本概念和原理，帮助学生理解时间和空间的相对性。
2. 教材内容本篇课文主要分为以下几个部分：（1）相对论的基本概念本部分主要介绍了相对论的背景和起源，引导学生了解相对论对传统物理学的颠覆性影响。
（2）狭义相对论本部分重点介绍了狭义相对论的核心原理，包括光速不变原理、时间相对性、尺度相对性等内容。
（3）广义相对论本部分简要介绍广义相对论的基本原理，主要包括引力的曲率和时空弯曲等概念。
3. 教材特点（1）理论性强本篇课文属于物理学的范畴，涉及一些抽象的概念和理论，需要学生具备一定的物理基础。
（2）启发性强本篇课文主要是引导学生思考和探索，通过提供一些经典实验和例子，激发学生的兴趣和思维。
二、教学目标1.知识目标通过学习本节课，学生应该能够：•了解相对论的基本概念和原理；•掌握时间和空间相对性的基本概念；•理解狭义相对论和广义相对论的区别和联系。
2.能力目标通过本节课的学习，学生应该能够：•发展逻辑思维和科学实验设计能力；•能够批判性地思考和评估相对论的影响和局限性；•能够使用科学语言和符号表达相对论的基本原理。
3.情感目标通过本节课的学习，学生应该能够：•培养学生对科学探索的兴趣和热情；•培养学生对科学原理的敬畏和探索精神；•培养学生的合作意识和团队合作能力。
三、教学重难点1.教学重点•理解相对论的基本原理和概念；•掌握时间和空间相对性的基本原理；•理解狭义相对论和广义相对论的区别和联系。
2.教学难点•帮助学生理解相对论的抽象概念，如时间相对性、尺度相对性等；•引导学生应用相对论原理分析和解决问题。
四、教学过程1.引入新课（1）通过提问和示例的方式，引导学生思考和讨论：时间和空间是如何相互影响的？（2）导入相对论的基本概念和背景，引导学生对新知识的兴趣。
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第2节 时间和空间的相对性
P107“同时”的相对性
“光速不变原理”，“狭义相对性原理”
对于地面的观察者，沿着火车运动方向，前面的事件后发生。
科学的方法与科学的价值观
实验或观测事实（或直接经验）
↓
猜想与假设（两个基本原理）
↓
逻辑分析（数学推理）
↓
可检验的结论
P106思考与讨论
……列车K 某车厢的中
央发出了一个闪光，车厢中
的人认为闪光同时到达了前
后两壁……这列火车K 静止
在车站里，另一列火车L 从
旁边呼啸而过（图15.2-2）。
那么，在运动的火车L 里，观察者认为，沿着运动方向
位置靠前一些的事件A 先发生，还是靠后一些的事件B 先发生？ ……
研究同时的相对性时，两事件哪个先、哪个后对学生并无特殊意义。
但这个结论在下一个小标题中要用。
P109长度的相对性
学生不必复述推理的过程，但应该清楚、熟练地知道结论：
l = l 02)(1c
v -
P110时间间隔的相对性：
Δt = 2)(1c
v -∆τ
P111时空相对性的实验验证
μ子，1941年
P113科学足迹：狭义相对论出现的前夜
如果没有爱因斯坦，几年之后同样会有狭义相对论，但也许很多年之后也没有广义相对论。