人教版高中物理选修3教案 相对论的诞生 时间和空间的相对性

时间和空间的相对性【教课目的】知识与技术： 1.理解“同时”的相对性。

2.经过推理，知道时间间隔的相对性和长度的相对性。

3.经过对两个结论的剖析认识时间和空间是不可以离开物质而独自存在的。

过程与方法： 1.经过时间间隔相对性和长度相对性的推导，培育逻辑推理能力。

2.经过成立相对论时空观，提升学生认识物质世界的能力。

感情、态度与价值观：培育学生对逻辑推理形成的结论要有一个科学的接受态度。

【教课重难点】要点：同时的相对性，长度的相对性，时间间隔的相对性。

难点：相对论的时空观。

【教课方法】在教师的指引下，经过对详细实例的剖析，成立模型、形成结论、形成理论，并在应用中加以稳固。

【教课器具】投影仪及投电影。

【教课过程】（一）引入新课教师：上一节课我们学习了狭义相对论的两个假定。

请同学们回想一下这两个假定的内容。

学生：在不一样惯性参照系中，全部物理规律都是同样的；真空中的光速在不一样惯性系中都是同样的。

教师：依据这两个假定，我们能够得出那些推论呢？这节课我们持续来学习狭义相对论的相关知识。

（二）进行新课一 .“同时”的相对性教师：第一我们来认识一下“事件”的看法，在这里我们说的事件能够指一个婴儿的诞生，一个光子与观察仪器的撞击或闪电打击地面等等.请大家再举几个例子。

学生：光从光源发出，宇宙中某个星体的迸发，一个车辆的启动等都是“事件”。

教师：下边我们经过一个实例剖析，来看看经典物理和相对论对同时的理解有何不一样。

［投影问题］车厢长为 L ，正以速度v 匀速向右运动，车厢底面圆滑，现有两只完整同样的小球，从车厢中点以同样的速率v0分别向前后匀速运动，（相关于车厢），问：（1）在车厢内的观察者看来，小球能否同时抵达两壁？（2）在地上的察看者看来两球能否同时抵达两壁？L剖析： 在车上的察看者看来， A 球经时间 t A = 2=Lv 02v 0LL所以两球同时抵达前后壁。

B 球经时间 t B =2=v 0 2v 0在经典物理学家看来，同时发生的两件事在任何参照系中察看，结果都是同时的，两 球也应同时抵达前后壁 .这是我们在平常生活中获得的结论。

图示是目前世界上最为豪华的游轮之一。

如果游轮在平静的海面上匀速前行,而你在游轮最底部的船舱内,看不到外面的大海和任何游轮之外的物体,你有什么方法能够得知轮船是在海面上匀速前进还是静止?是的,在轮船没有加速度时,由于我们没有参考系(在船舱底部),所以无法判断轮船到底是匀速前进还是静止,只有具有加速度时我们才能够判断。

对于惯性参考系来讲,一切物理规律都是等价的,只是它们的初始状态不同,这就是相对论的开始。

怎么样?相对论没有你想象的那么难吧!课时15.1相对论的诞生时间和空间的相对性1.了解经典相对性的原理。

2.知道狭义相对论的实验基础,知道狭义相对论关于时空相对性的主要结论。

3.了解狭义相对论的两个基本假设。

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景的差异。

4.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。

重点难点:狭义相对论的基本假设,长度与时间间隔的相对性。

教学建议:通过本节的学习,了解面对迈克耳孙—莫雷实验的结果,爱因斯坦通过否定以太的存在,同时否定了牛顿力学的绝对空间和绝对时间。

了解狭义相对论的两个基本假设,同时以这两个原理为基础,通过对一些简单现象的分析和逻辑推理,得到“同时”的相对性与时间间隔的相对性。

导入新课:1994年初,一架意大利客机在非洲河岸上空飞行,突然,客机从地面控制室的雷达屏幕上消失了。

正当机场工作人员焦急万分之际,客机又在原来的空域出现,雷达又追踪到了客机的信号,最后,这架客机安全降落在意大利内地机场。

对此现象专家们认为,唯一的解释是在“失踪”的一刹那,时间“静止”不动了,或者说出现了时光倒流。

同学们,时光真的会倒流吗?1.相对论的诞生(1)经典相对性的原理:力学规律在任何①惯性系中都是相同的。

(2)狭义相对论的两个基本假设狭义相对性原理:在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是②相同的。

光速不变原理:真空中的光速在不同的惯性参考系中都是③相同的,光速与光源、观察者间的④相对运动没有关系。

1相对论的诞生2时间和空间的相对性能说出狭义相对论)相对论的诞生[先填空]1．经典的相对性原理(1)表述一：力学规律在任何惯性系中都是相同的．(2)表述二：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性参考系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动．(3)表述三：任何惯性参考系都是平权的．2．狭义相对论的两个基本假设(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是相同的．[再判断]1．静止或匀速直线运动的参考系是惯性系．(√)2．由于在任何惯性系中力学规律都是相同的，因此，研究力学问题时可以选择任何惯性系．(√)3．在不同的惯性系中，光速是不相同的．(×)[后思考]1．牛顿运动定律的适用条件是什么？【提示】宏观物体、低速运动和惯性参考系．2．伽利略的相对性原理与狭义相对性原理有什么不同？【提示】伽利略的相对性原理认为力学规律在任何惯性系中是相同的；狭义相对性原理认为在不同惯性系中一切物理规律都是相同的．[核心点击]1．惯性系和非惯性系牛顿运动定律能够成立的参考系，相对于这个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系．牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系．2．伽利略相对性原理力学规律在任何惯性系中都是相同的，即任何惯性参考系都是平权的．3．相对性原理与电磁规律根据麦克斯韦的电磁理论，真空中的光速在任何惯性系中都是一个常量，但是按照伽利略的相对性原理，在不同惯性系中的光速应是各不相同的．迈克耳孙—莫雷实验证明：不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是相同的．4．迈克耳孙—莫雷实验(1)实验背景：根据麦克斯韦的电磁理论可以直接得到真空中电磁波的速度，并不需要初始条件，也就是说，“电磁波的速度是c”，这本身就是电磁规律的一部分，而不是电磁规律应用于某个具体事物的结论．于是，问题出现了：麦克斯韦的电磁理论相对哪个参考系成立？如果它相对参考系S是正确的，另外还有一个参考系S′，S′相对于S以速度v运动，那么光相对于S′的速度应该是(c－v)而不是c，好像电磁规律不是对任何惯性系都一样．(2)实验结论：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的．1．假设有一天某人坐在“神舟”号飞船上，以0.5c的速度遨游太空，当他打开一个光源时飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为________，飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为________，在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是________．【解析】根据狭义相对论的假设，真空中的光速相对于不同的惯性参考系是相同的，即在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c.【答案】c c c2．如图15-1-1所示，思考以下几个问题：(光速用c表示)图15-1-1(1)若参考系O ′相对于参考系O 静止，人看到的光速应是多少？(2)若参考系O ′相对于参考系O 以速度v 向右运动，人看到的光速应是多少？(3)若参考系O 相对于参考系O ′以速度v 向左运动，人看到的光速又是多少？【解析】 根据狭义相对论的光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系．因此三种情况下，人观察到的光速都是c .【答案】 (1)c (2)c (3)c1．爱因斯坦提出的两条基本假设是相对论的基础，对同时的相对性等经典力学所无法解决的问题，应紧紧抓住两条基本假设这一关键点来解决．2．真空中对不同的惯性参考系来说，光速都是相同的．3．经典力学的结论是有一定局限性的，一般只适用于宏观物体的低速运动．时间和空间的相对性[先填空]1．“同时”的相对性(1)经典时空观：在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察也是同时的．(2)相对论时空观：“同时”具有相对性，即在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察可能不是同时的．2．“长度”的相对性(1)经典的时空观：一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同．(2)相对论的时空观：“长度”也具有相对性，一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比静止长度小，但在垂直于杆的运动方向上，杆的长度没有变化．(3)相对长度公式：设相对于杆静止的观察者认为杆的长度为l 0，与杆有相对运动的人认为杆的长度为l ，杆相对于观察者的速度为v ，则l 、l 0、v 的关系是：l ＝l 01－⎝⎛⎭⎫v c 2. 3．时间间隔的相对性 (1)经典的时空观：某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔总是相同的．(2)相对论的时空观：某两个事件，在不同的惯性参考系中观察，它们的时间间隔是不同的，惯性系速度越大，惯性系中的时间进程进行得越慢．非但如此，惯性系中的一切物理、化学过程和生命过程都变慢了．(3)相对时间间隔公式：设Δτ表示静止的惯性系中观测的时间间隔，Δt 表示以v 高速运动的参考系中观察同样两事件的时间间隔，则它们的关系是：Δt ＝Δ τ1－⎝⎛⎭⎫v c 2.[再判断]1．根据相对论的时空观，“同时”具有相对性．(√)2．相对论时空观认为，运动的杆比静止的杆长度变大．(×)3．高速飞行的火箭中的时钟要变慢．(√)[后思考]1．尺子沿任何方向运动其长度都缩短吗？【提示】 尺子沿其长度方向运动时缩短，在垂直于运动方向长度不变．2．以任何速度运动，时间延缓效应都很显著吗？【提示】 不是．当u →c 时，时间延缓效应显著；当u ≪c 时，时间延缓效应可忽略．[核心点击]1．“动尺缩短”狭义相对论中的长度公式l ＝l 01－⎝⎛⎭⎫v c 2中，l 0是相对于杆静止的观察者测出的杆的长度，而l 可以认为是杆沿自己的长度方向以速度v 运动时，静止的观察者测量的长度．2．“动钟变慢”时间间隔的相对性公式Δ t ＝Δτ1－⎝⎛⎭⎫v c 2中，Δτ是相对事件发生地静止的观察者测量同一地点的两个事件发生的时间间隔，而Δt 是相对于事件发生地以速度v 高速运动的观察者测量同一地点的同样两个事件发生的时间间隔．3．分析时间间隔和长度变化时应注意的问题(1)时间间隔、长度的变化，都是由于物质的相对运动引起的一种观测效应，它与所选取的参考系有关，物质本身的结构并没有变化． (2)两个事件的时间间隔和物体的长度，必须与所选取的参考系相联系，如果在没有选取参考系的情况下讨论时间的长短及空间的尺寸，是没有任何意义的．3．某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行，如果希望把这路程缩短为3光年，则他所乘飞船相对地球的速度为________．【解析】 由l ＝l 01－⎝⎛⎭⎫v c 2得，3＝51－⎝⎛⎭⎫v c 2，解得v ＝0.8c . 【答案】 0.8c 4．用相对论的观点判断，下列说法正确的是( )【导学号：23570153】A ．时间是绝对的，空间是相对的B ．时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变C ．在地面上的人看来，高速运动的飞船中的时钟会变慢，但是飞船中的宇航员却看到时钟是准确的D ．在地面上的人看来，高速运动的飞船在运动方向上会变窄，而飞船中的宇航员却感觉到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些E ．当物体运动的速度v ≪c 时，“时间膨胀”和“长度收缩”效应可忽略不计【解析】 时间和空间都是相对的，故选项A 、B 的说法错误；根据“时间膨胀”和“长度收缩”效应，选项C 、D 的说法正确；当速度v ≪c 时，1－⎝⎛⎭⎫v c 2≈1，所以“时间膨胀”和“长度收缩”效应可忽略不计，故选项E 说法正确．【答案】 CDE5．地面上长100 km 的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30 km/s 的速度掠过，则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少？如果火箭的速度达到0.6c ，则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少？【解析】 当火箭速度较低时，长度基本不变，还是100 km.当火箭的速度达到0.6c 时，由相对论长度公式l ＝l 01－⎝⎛⎭⎫v c 2代入相应的数据解得：l ＝100×1－0.62 km ＝80 km. 【答案】 100 km 80 km应用相对论“效应”解题的一般步骤1．应该通过审题确定研究对象及研究对象的运动速度．2．明确求解的问题，即明确求解静止参考系中的观察结果，还是运动参考系中的观察结果．3．应用“尺缩效应公式”或“时间延缓效应公式”进行计算．。

15.2 时间和空间的相对性【【教教学学目目标标】】1．理解“同时”的相对性。

2．通过推理，知道时间间隔的相对性和长度的相对性。

3．通过对两个结论的分析认识时间和空间是不能脱离物质而单独存在的。

【【重重点点难难点点】】1．理解“同时”的相对性。

2．通过推理，知道时间间隔的相对性和长度的相对性。

【【教教学学方方法法】】讲练结合【【教教学学用用具具】】课 件【【教教学学过过程程】】 一、“同时”的相对性1、问题：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v 0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 =02v L=02v LB 球经时间t B =02v L=02v L因此两球同时到达前后壁。

根据爱因斯坦相对性原理，在不同参考系中一切物理规律都是相同的，这里匀速运动规律也一样，据s =ct 得t =cs，车上观察者看来s 相同，c 也一样，所以t 相同，而对地面的观察者，光向后位移s 小，而光速仍然不变，所以向后运动光需要较短时间到达后壁。

2、根据爱因斯坦相对性原理和光速不变原理，我们自然会得出“同时是相对的”这样一个原理，也就是说，在一个参考系中看来“同时”的，在另一个参考系中却可能“不同时”。

二、长度的相对性20)(1cvl l -=【例1】如果一个人在地上量好一根静止杆的长度是l ，他将这根杆带到以0.5c 速度运动的飞船上，坐在飞船上测量这根杆的长度又是多少？分析：应该是23L ，可以从公式l =l 02)(1cv -求出。

强调参考系的相对运动是长度缩短的原因，即观察者与被测物间的相对运动才是长度缩短的原因，进而否定上述答案，得到杆长仍为l 。

三、时间间隔的相对性1、问题：这是一列高速火车上发生的两个事件：假定车箱安装着一个墨水罐，它每隔一定时间地出一滴墨水。

人教版高三物理选修3《相对论的诞生相对性原理》教案及教学反思一、教案设计1.1 教学目标1.了解相对性原理的历史背景和基本内容；2.了解相对论的诞生和基本概念；3.理解相对论中的时空观念和质能关系；4.培养学生的科学思维和科学态度。

1.2 教学重难点教学重点：相对性原理的历史背景和基本内容，相对论的诞生和基本概念。

教学难点：相对论中的时空观念和质能关系。

1.3 教学内容和方法教学内容：1.相对性原理的历史背景和基本内容；2.相对论的诞生和基本概念；3.相对论中的时空观念和质能关系。

教学方法：1.课堂讲授：通过多媒体等方式进行讲解和演示，让学生理解相对性原理和相对论的基本概念；2.实验演示：通过实验模拟，让学生感受相对论中的时空观念和质能关系；3.讨论互动：引导学生从多个角度思考相对论的意义和应用，培养学生的科学思维和科学态度。

1.4 教学反思本节课重点介绍了相对性原理和相对论的基本概念，引导学生认识到科学研究中的相对性观点，并在实验演示中感受到相对论的时空观念和质能关系的实际应用。

在教学过程中，针对学生的知识储备和认知能力不同，采用了多种教学方法，如讲授、实验演示和讨论互动，有效地激发了学生的学习兴趣和科学探索的意识。

对于教学过程中存在的问题，需要不断总结经验，改进教学方法和手段，提高教学质量和效果。

二、教学反思在本节课中，我主要通过介绍相对性原理和相对论的基本概念，引导学生认识到科学研究中的相对性观点，并在实验演示中感受到相对论的时空观念和质能关系的实际应用。

在教学过程中，学生的参与性和学习兴趣得到了有效激发。

1.优点（1）教学实验设计全面：通过设计多种教学实验和模拟演示，让学生更直观地感受相对论中的时空观念和质能关系，从而更好地理解相对论的基本概念。

（2）多媒体辅助教学效果突出：通过多媒体等方式进行讲解和演示，帮助学生理解相对性原理和相对论的基本概念，使教学效果更加全面和明显。

（3）互动式教学：通过引导学生讨论和互动，激发了学生的自主探究和思考，培养了学生的科学思维和科学态度。

最新人教版选修（3-4）《课题：相对论简介》教案教学目的：1．了解相对论的诞生及发展历程2．了解时间和空间的相对性3．了解狭义相对论和广义相对论的内容教学重点：时间和空间的相对性、狭义相对论和广义相对论教学难点：时间和空间的相对性教学过程：一、狭义相对论的基本假设牛顿力学是在研究宏观物体的低速（与光速相比）运动时总结出来的.对于微观粒子,牛顿力学并不适用,在这一章中我们还将看到,对于高速运动,即使是宏观物体,牛顿力学也不适用.19世纪后半叶,关于电磁场的研究不断深入,人们认识到了光的电磁本质.我们已经知道,电磁波是以巨大的速度传播的,因此在电磁场的研究中不断遇到一些矛盾,这些矛盾导致了相对论的出现.相对论不仅给出了物体在高速运动时所遵循的规律,而且改变了我们对于时间和空间的认识,它的建立在物理学和哲学的发展史上树立了一座重要的里程碑.经典的相对性原理如果牛顿运动定律在某个参考系中成立,这个参考系叫做惯性系,相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系.我们引用伽利略的一段话,生动地描述了一艘平稳行驶的大船里发生的事情.“船停着不动时,你留神观察,小虫都以等速向各方向飞行,鱼向各个方向随意游动,水滴滴进下面的罐中；你把任何东西扔给你的朋友时,只要距离相等,向这一方向不比向另一方向用更多的力.你双脚齐跳,无论向哪个方向跳过的距离都相同.当你仔细观察这些事情之后,再使船以任何速度前进,只要运动是匀速的,也不忽左忽右地摆动,你将发现,所有上述现象丝毫没有变化.你也无法从其中任何一个现象来确定,船是在运动还是停着不动”通过这段描述以及日常经验,人们很容易相信这样一个论述：力学规律在任何惯性系中都是相同的.这个论述叫做伽利略相对性原理.相对性原理可以有不同的表述.例如还可以表述为：在一个惯性参考系内进行任何力学实验都不能判断它是否在相对于另一个惯性参考系做匀速直线运动；或者说,任何惯性系都是平权的.在不同的参考系中观察,物体的运动情况可能不同,例如在一个参考系中物体是静止的,在另一个参考系中看,它可能是运动的,在不同的参考系中它们运动的速度和方向也可能不同.但是,它们在不同的惯性系中遵从的力学规律是一样的,例如遵从同样的牛顿运动定律、同样的运动合成法则……光速引起的困难自从麦克斯韦预言了光的电磁本质以及电磁波的速度以后,物理学家们就在思考,这个速度是对哪一个参考系说的？如果存在一个特殊的参考系O,光对这个参考系的速度是c,另一个参考系O′以速度v沿光传播的方向相对参考系O运动,那么在O′中观测到的光速就应该是c-v,如果参考系O′逆着光的传播方向运动,在参考系O′中观测到的光速就应该是c+v.由于一般物体的运动速度比光速小得多,c+v和c-v与光速c的差别很小,在19世纪的技术条件下很难直接测量,于是物理学家们设计了许多巧妙的实验,力图测出不同参考系中光速的差别.最著名的一个实验是美籍物理学家麦克尔逊设计的.他把一束光分成互相垂直的两束,一束的传播方向和地球运动的方向一致,另一束和地球运动的方向垂直,然后使它们发生干涉,如果不同方向上的光速有微小的差别,当两束光互相置换时干涉条纹就会发生变化.由于地球在宇宙中运动的速度很大,希望它对光速能有较大的影响.但是,这个实验和其他实验都表明,不论光源和观察者做怎样的相对运动,光速都是相同的.这些否定的结果使当时的物理学家感到震惊,因为它和传统的观念,例如速度合成的法则,是矛盾的.狭义相对论的两个假设上面的矛盾使我们面临一个困难的选择：要么放弃麦克斯韦的电磁理论,要么否定特殊参考系的存在.爱因斯坦选择了后者.他认为,既然在不同的惯性系中力学规律都一样,我们会很自然地想到,电磁规律在不同的惯性系中也是一样的,也就是说,并不存在某一个特殊参考系（例如地球参考系、太阳参考系,或者所谓的以太……）爱因斯坦把伽利略的相对性原理推广到电磁规律和一切其他物理规律,成为他的第一个假设：在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的.这个假设通常称为爱因斯坦相对性原理.另一条假设是：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的,与光源的运动和观察者的运动没有关系.这个假设通常叫做光速不变原理.这两个假设似乎是麦克尔逊实验的直接结论,为什么还要叫做假设？这是因为,虽然实验表明了假设所说的内容,但这终归是有限的几次实验.只有在从这两个假设出发,经过逻辑推理（包括数学推导）所得出的大量结论都与事实相符时,它们才能成为真正意义上的原理同时的相对性作为相对论的两个假设的直接推论,现在讨论“同时”的相对性,以体会相对论描述的世界和我们日常的经验有多大的差别.我们研究两个“事件”的同时性.在这里,“事件”可以指一个光子与观测仪器的碰撞,也可以指闪电对地面的打击,还可以指一个婴儿的诞生……假设一列很长的火车在沿平直轨道飞快地匀速行驶.车厢中央有一个光源发出了一个闪光,闪光照到了车厢的前壁和后壁,这是两个事件.车上的观察者认为两个事件是同时的.在他看来这很好解释,因为车厢是个惯性系,光向前、后传播的速度相同,光源又在车厢的中央,闪光当然会同时到达前后两壁（图甲）.车下的观察者则不以为然.他观测到,闪光先到达后壁,后到达前壁.他的解释是：地面也是一个惯性系,闪光向前、后传播的速度对地面也是相同的,但是在闪光飞向两壁的过程中,车厢向前行进了一段距离,所以向前的光传播的路程长些,到达前壁的时刻也就晚些（图乙）,这两个事件不同时. 在经典物理学家的头脑中,如果两个事件在一个参考系中看来是同时的,在另一个参考系中看来一定也是同时的,这一点似乎天经地义,无需讨论.但是,如果接受了爱因斯坦的两个假设,我们自然会得出“同时是相对的”这样一个结论.为什么在日常生活中没有人觉察到这种相对性？原来,火车运动的速度远远小于光速,光从车厢中央传播到前后两壁的短暂时间内,火车前进不了多大距离,因此地面观察者不会发现闪光到达前壁、后壁的时间差.时间和空间的相对性时间间隔的相对性经典物理学认为,某两个事件,在不同的惯性系中观察,它们发生的时间差,也就是它们的时间间隔,总是相同的.但是,从狭义相对论的两个基本假设出发,我们会看到,时间间隔是相对的.还以高速火车为例,假设车厢地板上有一个光源,发出一个闪光.对于车上的人来说,闪光到达光源正上方h高处的小镜后被反射,回到光源的位置（如图甲）,往返所用的时间为△t′.对于地面的观察者来说,情况有所不同.从地面上看,在光的传播过程中,火车向前运动了一段距离,因此被小镜反射后又被光源接收的闪光是沿路径AMB传播的光（图乙）.如果火车的速度为v,地面观察者测得的闪光从出发到返回光源所用时间记为△t,那么应用勾股定理可得这又是一个令人吃惊的结论：关于闪光从光源出发, 经小镜反射后又回到光源所经历的时间,地面上的人和车上的人测量的结果不一样,地面上的人认为这个时间长些.更严格的推导表明,（1）式具有普遍意义,它意味着,从地面上观察,火车上的时间进程变慢了,由于火车在运动,车上的一切物理、化学过程和生命过程都变慢了：时钟走得慢了,化学反应慢了,甚至人的新陈代谢也变慢了……可是车上的人自己没有这种感觉,他们反而认为地面上的时间进程比火车上的慢,因为他们看到,地面正以同样的速度朝相反的方向运动！（１）式又一次生动地展示了时间的相对性.长度的相对性在这一小节中我们将要说明,高速火车上的一个杆,当它的方向和运动方向平行时,地面上的人测得的杆长要小于火车上的人测得的杆长！假设一个杆沿着车厢运动的方向固定在火车上,和车一起运动.在火车上的人看来,杆是静止的.他利用固定在火车上的坐标轴,测出杆两端的位置坐标,坐标之差就是他测出的杆长L′.地面上的人要利用固定在地面上的坐标轴,测出杆两端的位置坐标,坐标之差就是他测出的杆长L.可是,对于地面上的人,杆是运动的,要使这种测量有意义,他必须同时测出杆两端的位置坐标；如果在某一时刻测出杆一端的位置坐标,在另一时刻测出另一端的位置坐标,坐标之差就不能代表杆长了.火车上的人和地面上的人各自用上述方法测量随车运动的杆长,结果发现,L′＞L.他们两人的测量都是符合测量要求的,但测量结果不同,这跟同时的相对性有关.地面上的人认s为同时的两个事件（同时对A、B两端读数）,火车上的人认为不是同时的.火车上的人认为,地面上的人对B端的读数早些,对A端的读数迟些,在这个时间内杆向前运动了一段距离,因而地面上的人测得的杆长比较短.（2）式具有普遍意义,也就是说,一个杆,当它沿着自身的方向相对于测量者运动时,测得的长度比它静止时的长度小,速度越大,差别也越大.这就是我们所说的空间的相对性.当杆沿着垂直于自身的方向运动时,测得的长度和静止时一样.可以想像这样一幅图景：一列火车以接近光的速度从我们身边飞驶而过,我们感到车厢变短了,车窗变窄了……火车越快,这个现象越明显,但是车厢和车窗的高度都没有变化.车上的人有什么感觉呢？他认为车上的一切都和往常一样,因为他和火车是相对静止的.但是,他却认为地面上的景象有些异常：沿线的电线杆的距离变短了,面对铁路线的正方形布告牌由于宽度变小而高度未变竟成了窄而高的矩形……时空相对性的实验验证从（l）、（2）两式可以看到,只有当两个参考系的相对速度可与光速相比时,时间与空间的相对性才比较明显.目前的技术还不能使宏观物体达到这样的速度,但是随着对微观粒子研究的不断深入,人们发现,许多情况下粒子的速度会达到光速的90％以上,时空的相对性应该是不可忽略的.事实正是如此.时至今日,不但狭义相对论的所有结论已经完全得到证实,实际上它已经成为微观粒子研究的基础之一.时空相对性的最早证据跟宇宙线的观测有关（1941年）.宇宙线是来自太阳和宇宙深处的高能粒子流,它和高层大气作用,又产生多种粒子,叫做次级宇宙线,它们统称宇宙线.次级宇宙线中有一种粒子叫做μ子,寿命不长,只有 3.0μs,超过这个时间后大多数μ子就衰变为别的粒子了.宇宙线中μ子的速度约为0.99c,所以在它的寿命之内,运动的距离只有约890m.μ子生成的高度在100km以上,这样说来宇宙线中的μ子不可能到达地面.但在实际上,地面观测到的宇宙线中有许多μ子,这只能用相对论来解释.我们说μ子的寿命为 3.0μs,这是在与它相对静止的参考系中说的.从地面参考系看,μ子在以接近光速的速度运动,根据（l）式,它的寿命比3.0μs长得多,在这样长的时间内,许多μ子可以飞到地面.如果观察者和μ子一起运动,这个现象也好解释.这位观察者看到,μ子的寿命仍是 3.0μs,但是大地正向他扑面而来,因此大气层的厚度不是100km,由于长度的相对性,在他看来大气层比100km薄得多,许多μ子在衰变为其他粒子之前可以飞过这样的距离.相对论的第一次宏观验证是在1971年进行的.当时把铯原子钟放在喷气式飞机上作环球飞行,然后与地面上的基准钟对照.实验结果与理论预言符合得很好.相对论的时空观什么是时间？什么是空间？时间和空间有什么性质？经典物理学对这些问题并没有正面回答.但是从它对问题的处理上,我们体会到,经典物理学认为空间好像一个大盒子（一个没有边界的盒子）,它是物质运动的场所.至于某一时刻在某一空间区域是否有物质存在,物质在做什么样的运动,这些对于空间本身没有影响,就像盒子里是否装了东西对于盒子的性质没有影响一样.时间与此相似,它在一分一秒地流逝,与物质的运动无关.换句话说,经典物理学认为空间和时间是脱离物质而存在的,是绝对的,空间与时间之间也是没有联系的.相对论则认为有物质才有空间和时间,空间和时间与物质的运动状态有关.前面已经看到,在一个确定的参考系中观察,运动物体的长度（空间距离）和它上面物理过程的快慢（时间进程）都跟物体的运动状态有关.我们生活在低速运动的世界里,因此自然而然地接受了经典的时空观,过去谁都未曾有意识地考虑过空间与时间的性质.只有当新的实验事实引出的结论与传统观念不一致时,人们才回过头来认真思考过去对于空间和时间的认识.科学的发展和人对于自然界的认识就是这样一步一步地前进的.新科学没有全盘否定经典物理学,经典物理学建立在实验的基础上,它的结论又受到无数次实践的检验.虽然相对论更具有普遍性,但是经典物理学作为它在低速运动时的特例,在自己的适用范围内还将继续发挥作用.狭义相对论的其他三个结论我们不做推导而直接引入狭义相对论的三个重要结论.相对论速度叠加公式仍以高速火车为例.设车对地面的速度为v,车上的人以速度u′沿着火车前进的方向相对火车运动,那么他相对地面的速度u为如果车上人的运动方向与火车的运动方向相反,则u′取负值.这两个速度的方向垂直或成其他角度时,（1）式不适用,这种情况不做讨论按照经典的时空观,u=u′+v.而从（1）式来看,实际上人对地面的速度u比u′与v之和要小,不过只有在u′和v的大小可以与c相比时才会观察到这个差别.从（1）式还可以看出,如果u′和v都很大,例如十分接近光速,它们的合速度也不会超过光速,也就是说,光速是速度的极限.此外,当u′=c时,不论v取什么值,总有u=c,这表明,从不同参考系中观察,光速都是相同的,这和相对论的第二个假设一致.相对论质量按照牛顿力学,物体的质量是不变的,因此一定的力作用在物体上,产生的加速度也是一定的,这样,经过足够长的时间以后物体就可以达到任意大的速度.但是相对论的速度叠加公式告诉我们,物体的运动速度不能无限增加.这个矛盾启发我们思考：物体的质量是否随物体的速度而增大？严格的论证证实了这一点.实际上,物体以速度v运动时的质量m和它静止时的质量m0之间有如下关系：微观粒子的运动速度很高,它的质量明显地大于静止质量,这个现象必须考虑.例如,回旋加速器中被加速的粒子,在速度增大后质量增大,因此做圆周运动的周期变大,它的运动与加在D形盒上的交变电压不再同步,所以回旋加速器中粒子的能量受到了限制.质能方程相对论另一个重要结论就是大家已经学过的爱因斯坦质能方程：E = mc2（3）它表达了物体的质量和它所具有的能量的关系.物体运动时的能量E和静时有以下近似关系于是知道：这就是过去熟悉的动能表达式.这个结果又一次让我们看到,牛顿力学是相对论力学在v<<c时的特例.。

人教版高三物理选修3《时间和空间的相对性》说课稿一. 学科背景和教学目标1.1 学科背景《时间和空间的相对性》是高中物理选修3的一章内容，涉及到狭义相对论的基本原理和应用。

通过学习本章内容，学生将会深入了解时间和空间的相对性，并理解爱因斯坦的狭义相对论理论。

1.2 教学目标本节课的教学目标主要有： - 理解时间和空间的相对性；- 了解光的传播特性与相对性理论之间的关系； - 掌握相对论修正之后的时间和空间运动公式； - 能够运用狭义相对论解释实际问题。

二. 教学内容和教学步骤2.1 教学内容本节课主要包括以下内容： - 时间和空间的相对性的基本概念； - 光速不变原理和狭义相对论的基本假设； - 相对论修正之后的时间和空间运动公式； - 相对论的实际应用。

2.2 教学步骤本节课的教学步骤如下：步骤一：引入引入本节课的主题，告诉学生今天我们将学习时间和空间的相对性，探索光速不变原理和狭义相对论的基本原理。

步骤二：概念讲解通过举例和图示的方式，向学生解释时间和空间的相对性。

帮助学生理解相对性是如何改变我们对时间和空间的看法的。

步骤三：光速不变原理和狭义相对论介绍光速不变原理和狭义相对论的基本假设，并解释它们对时间和空间的影响。

可以通过实验和例子来加深学生的理解。

步骤四：时间和空间运动公式介绍相对论修正之后的时间和空间运动公式，并与经典力学中的公式进行对比。

通过计算题来巩固学生对公式的掌握。

步骤五：相对论的实际应用讲解相对论在现代科学中的实际应用，如卫星导航系统的原理和粒子加速器的工作原理等。

通过实例来展示相对论的价值和重要性。

步骤六：小结和总结对本节课的内容进行小结和总结，强调学生对时间和空间的理解是如何被相对性理论所改变的，并鼓励他们在日常生活中应用相对论的思维方式。

三. 教学方法和教学资源3.1 教学方法本节课将采用多种教学方法，包括讲解、示范、探究和讨论等。

通过学生参与互动，引导学生主动思考和发现问题，提高他们的学习兴趣和学习效果。