《2時(shí)間和空間的相對(duì)性》教學(xué)設(shè)計(jì)(河南省市級(jí)優(yōu)課)x-物理教案

時(shí)間和空間的相對(duì)性★課程目標(biāo)（一）知識(shí)與技能1．理解“同時(shí)”的相對(duì)性。2．通過(guò)推理，知道時(shí)間間隔的相對(duì)性和長(zhǎng)度的相對(duì)性。3．通過(guò)對(duì)兩個(gè)結(jié)論的分析認(rèn)識(shí)時(shí)間和空間是不能脫離物質(zhì)而單獨(dú)存在的。（二）過(guò)程與方法1．通過(guò)時(shí)間間隔相對(duì)性和長(zhǎng)度相對(duì)性的推導(dǎo)，培養(yǎng)邏輯推理能力。2．通過(guò)建立相對(duì)論時(shí)空觀，提高學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的能力。（三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀培養(yǎng)學(xué)生對(duì)邏輯推理形成的結(jié)論要有一個(gè)科學(xué)的接受態(tài)度?！锝虒W(xué)重點(diǎn)同時(shí)的相對(duì)性，長(zhǎng)度的相對(duì)性，時(shí)間間隔的相對(duì)性?！锝虒W(xué)難點(diǎn)相對(duì)論的時(shí)空觀?！锝虒W(xué)方法在教師的引導(dǎo)下，通過(guò)對(duì)具體實(shí)例的分析，建立模型、形成結(jié)論、形成理論，并在應(yīng)用中加以鞏固?！锝虒W(xué)過(guò)程（一）引入新課我聽(tīng)到有學(xué)生驚呼《哆啦A夢(mèng)》。好激動(dòng)。多熟悉的旋律，這部動(dòng)漫一直伴隨著我們成長(zhǎng)，帶給我們太多娛樂(lè)搞笑，也讓我們幻想，自己有一天能乘坐時(shí)光機(jī)，穿越到過(guò)去和未來(lái)。哈哈，重溫下我們的童年吧，一起看視頻。物體運(yùn)動(dòng)的速度能影響時(shí)間的快慢？愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的時(shí)空觀到底是怎樣的？學(xué)習(xí)了本節(jié)課，我們將會(huì)知道。（二）復(fù)習(xí)鞏固師：現(xiàn)在，先請(qǐng)同學(xué)們回顧上節(jié)課我們所學(xué)內(nèi)容，狹義相對(duì)論的兩個(gè)假設(shè)。生：在不同慣性參照系中，一切物理規(guī)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：回答得很好，大家掌握的相當(dāng)牢固。有了這些知識(shí)基礎(chǔ)，我們就可以進(jìn)行本節(jié)課的學(xué)習(xí)。（三）進(jìn)行新課1．“同時(shí)”的相對(duì)性師：首先我們來(lái)認(rèn)識(shí)一下“事件”的概念，在這里我們說(shuō)的事件可以指一個(gè)嬰兒的誕生，一個(gè)光子與觀測(cè)儀器的撞擊或閃電打擊地面等等.請(qǐng)大家再舉幾個(gè)例子。師：下面我們通過(guò)一個(gè)實(shí)例分析，來(lái)看看經(jīng)典物理和相對(duì)論對(duì)同時(shí)的理解有何不同。［投影問(wèn)題］車(chē)廂長(zhǎng)為l，正以速度v勻速向右運(yùn)動(dòng)，車(chē)廂底面光滑，現(xiàn)有兩只完全相同的小球，從車(chē)廂中點(diǎn)以相同的速率v0分別向前后勻速運(yùn)動(dòng)，（相對(duì)于車(chē)廂），問(wèn)（1）在車(chē)廂內(nèi)的觀察者看來(lái)，小球是否同時(shí)到達(dá)兩壁？（2）在地上的觀察者看來(lái)兩球是否同時(shí)到達(dá)兩壁？學(xué)生分析得出結(jié)論：兩球同時(shí)到達(dá)前后壁。在經(jīng)典物理學(xué)家看來(lái)，同時(shí)發(fā)生的兩件事在任何參照系中觀察，結(jié)果都是同時(shí)的，兩球也應(yīng)同時(shí)到達(dá)前后壁。這是我們?cè)谌粘Ｉ钪械玫降慕Y(jié)論。師：如果把上述事件換成兩列光的傳播，情況如何呢？（引導(dǎo)學(xué)生，從經(jīng)典觀點(diǎn)和光速不變?cè)韮煞矫娣治觯┥涸谲?chē)上的觀察者看來(lái)，閃光同時(shí)到達(dá)前后壁，在地上的觀察者看來(lái)，閃光先到達(dá)后壁。師：為什么呢？學(xué)生分析。師：分析得不錯(cuò)，這就是相對(duì)論中的“同時(shí)的相對(duì)性”師：在這強(qiáng)調(diào)一下，火車(chē)是向右高速運(yùn)動(dòng)。在地面看來(lái)，A為運(yùn)動(dòng)前方，B為運(yùn)動(dòng)后方。在火車(chē)上看起來(lái)同時(shí)發(fā)生的時(shí)間。在地面參考系看來(lái)，先發(fā)生運(yùn)動(dòng)后方的事件B，后如果在地面上的人同時(shí)看到兩道閃電同時(shí)劈到車(chē)頭A/B，處的樹(shù)，在火車(chē)中的人看來(lái)，誰(shuí)先誰(shuí)后呢？變換參考系，可以改變同時(shí)性。師：那么為什么我們平時(shí)不能觀察這種現(xiàn)象呢？生：因?yàn)榛疖?chē)速度相對(duì)于光速來(lái)說(shuō)太小，在光傳播的短時(shí)間內(nèi)，火車(chē)位移不大，我們不能發(fā)現(xiàn)這么短的時(shí)間差.如果火車(chē)速度接近光速，這一現(xiàn)象一定很明顯。師：是的，看來(lái)經(jīng)典的時(shí)間觀動(dòng)搖了，相對(duì)論給我們展示了高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下全新的世界。2．時(shí)間間隔的相對(duì)性師：這是一列高速火車(chē)上發(fā)生的兩個(gè)事件：光源發(fā)光和光線經(jīng)鏡反射后回到光源位置，生1： 生2：甲圖中 光線水平路程vΔt光線路程s1=2h 豎直路程2h速度c 總路程（）2=（）)2+h2時(shí)間Δt′= 時(shí)間間隔Δt=得Δt=大家可以找出二者的關(guān)系嗎？生：能，Δt=師：誰(shuí)大誰(shuí)小？哪一位觀察者感覺(jué)時(shí)間長(zhǎng)？生：Δt較大，地上的觀察者感覺(jué)時(shí)間延長(zhǎng)了。［投影］一對(duì)孿生兄弟，出生后甲乘高速飛船去旅行，測(cè)量出自己飛行30年回到地面上，乙在地面上生活，問(wèn)甲回來(lái)時(shí)30歲，乙這時(shí)是多少歲？（已知飛船速度v=c）分析：已知飛船觀察者甲經(jīng)時(shí)間Δt′=30年，地面上的觀察者乙經(jīng)過(guò)時(shí)間為Δt==年=60年可見(jiàn)甲的孿生兄弟已經(jīng)60歲了。學(xué)生興趣盎然，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步討論激發(fā)學(xué)生對(duì)高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的各種過(guò)程，例如物理、化學(xué)、生命過(guò)程變慢進(jìn)行討論，加深對(duì)時(shí)間間隔相對(duì)性的理解。師：通過(guò)前面的討論我們看到在不同參考系中，時(shí)間間隔是相對(duì)的。3.長(zhǎng)度的相對(duì)性師：下面我們來(lái)討論在不同參考系中測(cè)量一個(gè)桿的長(zhǎng)度結(jié)果會(huì)如何。投影下圖。師：甲圖中是一個(gè)刻度尺測(cè)出的靜止的桿的長(zhǎng)度，大家看是多少？生：1.2m師：怎么求出的呢？生：拿n點(diǎn)坐標(biāo)9.2m減m點(diǎn)坐標(biāo)8m得到的。師：乙圖中尺仍然靜止，桿水平向右勻速運(yùn)動(dòng)，我們應(yīng)該怎么算桿長(zhǎng)？生：mn長(zhǎng)或m′n′長(zhǎng)度。師：其實(shí)這里你是用某時(shí)刻n、m坐標(biāo)差值或另一時(shí)刻n′、m′坐標(biāo)差值得到的.如果有人用n′，m的坐標(biāo)差值算出桿長(zhǎng)是9.7m-8m=1.7m顯然是沒(méi)有意義的，它不能代表?xiàng)U的長(zhǎng)度.因此我們要測(cè)量這一桿長(zhǎng)，就必須“同時(shí)”讀出桿兩端坐標(biāo)才行?，F(xiàn)在的問(wèn)題是不同參考系中“同時(shí)是相對(duì)的”。師：請(qǐng)大家看課本，地面上的人看到桿的m、n兩端發(fā)出的光同時(shí)到達(dá)他的眼睛，他讀出n、m的坐標(biāo)之差為l，即地上的觀察者測(cè)到的桿長(zhǎng)。請(qǐng)大家考慮車(chē)上的觀察者是同時(shí)看到n、m兩端的閃光嗎？生：不是同時(shí)看到，他看到n端先發(fā)出光，而m端后發(fā)出光。師：那他認(rèn)為地上的人觀測(cè)的長(zhǎng)度就是投影圖中的n、m′間距，地上觀察者讀短了。因此車(chē)上觀察者測(cè)量的長(zhǎng)度l0比地上觀察者測(cè)量的長(zhǎng)度l長(zhǎng)，即l＞l0。正是因?yàn)橥瑫r(shí)的相對(duì)性導(dǎo)致了長(zhǎng)度的相對(duì)性。師：嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)告訴我們l′和l之間有如下關(guān)系：由式可見(jiàn)總有l(wèi)＜l0。一個(gè)桿，當(dāng)它沿自身方向相對(duì)于測(cè)量者運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)量者的測(cè)量結(jié)果如何？生：變短了。師：若桿沿著垂直自身方向相對(duì)測(cè)量者運(yùn)動(dòng)呢？生：應(yīng)該一樣。生：應(yīng)該是l，可以從公式l=l0求出。師：大家看對(duì)嗎？（少數(shù)人贊同，多數(shù)人沉默）教師引導(dǎo)學(xué)生討論，強(qiáng)調(diào)參考系的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是長(zhǎng)度縮短的原因，即觀察者與被測(cè)物間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)才是長(zhǎng)度縮短的原因，進(jìn)而否定上述答案，得到桿長(zhǎng)仍為l的結(jié)果還可發(fā)揮學(xué)生想像力，鼓勵(lì)學(xué)生想象高速運(yùn)動(dòng)下的長(zhǎng)度變化，加深對(duì)長(zhǎng)度相對(duì)性的理解。（四）時(shí)空相對(duì)性的驗(yàn)證師：請(qǐng)同學(xué)們不要忘記，時(shí)空相對(duì)性的奇妙圖景都是在兩個(gè)“假設(shè)”的基礎(chǔ)上推出的，它必須接受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，否則永遠(yuǎn)是猜想.大家有什么好的辦法嗎？生：設(shè)法造出高速運(yùn)動(dòng)的飛船或火車(chē)。師：目前我們還沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)這樣高的速度的宏觀火車(chē)或飛船，但在微觀世界，這樣的高速是普遍存在的，宇宙射線中的μ子的行為為我們提供了有力的證據(jù).壽命3.0μs這段時(shí)間位移應(yīng)為s=vt≈0.99×108×3.0×3.0×10-6m≈890m這樣，它在100km高的大氣層上方根本不可能到達(dá)地面，而我們卻在地面找到了這100km高處的來(lái)客，請(qǐng)大家分析原因。生：因?yàn)棣套痈咚龠\(yùn)動(dòng)時(shí)的自身存在時(shí)間δt′總是大于地面觀察到的時(shí)間δt，也就是它的壽命變長(zhǎng)了。師：很好，大家再?gòu)拈L(zhǎng)度相對(duì)性角度考慮解釋。生：在μ子看來(lái)，這100km厚的大氣層被變短了，在它的眼里只有890m，它能成功穿越。師：宏觀的證據(jù)是1971年的銫原子鐘的環(huán)球飛行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論