【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(jié)論的分析認識時間和空間是不能脫離物質(zhì)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(dǎo)，培養(yǎng)邏輯推理能力。
2．通過建立相對論時空觀，提高學(xué)生認識物質(zhì)世界的能力。
（三）情感、態(tài)度與價值觀
培養(yǎng)學(xué)生對邏輯推理形成的結(jié)論要有一個科學(xué)的接受態(tài)度。
【重點】同時的相對性，長度的相對性，時間間隔的相對性。
【教學(xué)難點】相對論的時空觀。
【教學(xué)方法】在教師的引導(dǎo)下，通過對具體實例的分析，建立模型、形成結(jié)論、形成理論，并在應(yīng)用中加以鞏固。
【教學(xué)用具】投影儀及投影片。
【教學(xué)過程】
（一）引入新課
師：上一節(jié)課我們學(xué)習(xí)了狹義相對論的兩個假設(shè)。請同學(xué)們回憶一下這兩個假設(shè)的內(nèi)容。
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：根據(jù)這兩個假設(shè)，我們可以得出那些推論呢？這節(jié)課我們繼續(xù)來學(xué)習(xí)狹義相對論的有關(guān)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，在這里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(fā)出，宇宙中某個星體的爆發(fā)，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(jīng)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(xiàn)有兩只完全相同的小球，從車廂中點以相同的速率v0分別向前后勻速運動，（相對于車廂），問（1）在車廂內(nèi)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(jīng)時間tA= =
B球經(jīng)時間tB= =
因此兩球同時到達前后壁。
在經(jīng)典物理學(xué)家看來，同時發(fā)生的兩件事在任何參照系中觀察，結(jié)果都是同時的，兩球也應(yīng)同時到達前后壁.這是我們在日常生活中得到的結(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)典觀點和光速不變原理兩方面分析）
生：在車上的觀察者看來，閃光同時到達前后壁，在地上的觀察者看來，閃光先到達后壁.
師：為什么呢？
生：根據(jù)愛因斯坦相對性原理，在不同參考系中一切物理規(guī)律都是相同的，這里勻速運動規(guī)律也一樣，據(jù)s=ct得t= ，車上觀察者看來s相同，c也一樣，所以t相同，而對地面的觀察者，光向后位移s小，而光速仍然不變，所以向后運動光需要較短時間到達后壁。
師：分析得不錯，由此看來，根據(jù)愛因斯坦相對性原理和光速不變原理，我們自然會得出“同時是相對的”這樣一個原理，也就是說，在一個參考系中看來“同時”的，在另一個參考系中卻可能“不同時”。
師：那么為什么我們平時不能觀察這種現(xiàn)象呢？
生：因為火車速度相對于光速來說太小，在光傳播的短時間內(nèi)，火車位移不大，我們不能發(fā)現(xiàn)這么短的時間差.如果火車速度接近光速，這一現(xiàn)象一定很明顯。
師：是的，看來經(jīng)典的時間觀動搖了，相對論給我們展示了高速運動狀態(tài)下全新的世界。
2．長度的相對性
師：下面我們來討論在不同參考系中測量一個桿的長度結(jié)果會如何。
投影下圖。

師：甲圖中是一個刻度尺測出的靜止的桿的長度，大家看是多少？
生：1.2 m
師：怎么求出的呢？
生：拿N點坐標9.2 m減M點坐標8 m得到的。
師：乙圖中尺仍然靜止，桿水平向右勻速運動，我們應(yīng)該怎么算桿長？
生：MN長或M′N′長度。
師：其實這里你是用某時刻N、M坐標差值或另一時刻N′、M′坐標差值得到的.如果有人用N′，M的坐標差值算出桿長是9.7 m-8 m=1.7 m顯然是沒有意義的，它不能代表桿的長度.因此我們要測量這一桿長，就必須“同時”讀出桿兩端坐標才行�，F(xiàn)在的問題是不同參考系中“同時是相對的”。
師：請大家看課本圖15.2－3，地面上的人看到桿的M、N兩端發(fā)出的光同時到達他的眼睛，他讀出N、M的坐標之差為l，即地上的觀察者測到的桿長。請大家考慮車上的觀察者是同時看到N、M兩端的閃光嗎？

生：不是同時看到，他看到N端先發(fā)出光，而M端后發(fā)出光。
師：那他認為地上的人觀測的長度就是投影圖中的N、M′間距，地上觀察者讀短了。因此車上觀察者測量的長度l0比地上觀察者測量的長度l長，即l＞l0。正是因為同時的相對性導(dǎo)致了長度的相對性。
師：嚴格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)告訴我們l′和l之間有如下關(guān)系：

由式可見總有l(wèi)＜l0。
一個桿，當它沿自身方向相對于測量者運動時，測量者的測量結(jié)果如何？
生：變短了。
師：若桿沿著垂直自身方向相對測量者運動呢？
生：應(yīng)該一樣。
師：如果一個人在地上量好一根靜止桿的長度是l，他將這根桿帶到以0.5c速度運動的飛船上，坐在飛船上測量這根桿的長度又是多少？
生：應(yīng)該是 L，可以從公式l=l0 求出。
師：大家看對嗎？
（少數(shù)人贊同，多數(shù)人沉默）教師引導(dǎo)學(xué)生討論，強調(diào)參考系的相對運動是長度縮短的原因，即觀察者與被測物間的相對運動才是長度縮短的原因，進而否定上述答案，得到桿長仍為l的結(jié)果還可發(fā)揮學(xué)生想像力，鼓勵學(xué)生想象高速運動下的長度變化，加深對長度相對性的理解。
3．時間間隔的相對性
［投影課本圖15.2－4］

師：這是一列高速火車上發(fā)生的兩個事件：假定車箱安裝著一個墨水罐，它每隔一定時間地出一滴墨水。墨水在 、 兩個時刻在地上形成P、Q兩個墨點，設(shè)車上的觀察者測得兩事件間隔Δt′時間，地面上的觀察者測得兩事件間隔Δt時間，車廂勻速前進速度為v。
車上觀察者認為兩個事件的時間間隔： ，
地面觀察者認為兩個事件的時間間隔： ，
根據(jù)公式 ，通過一定的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得出：
Δt=
師：式中 是與滴管相對靜止的觀察者測得的兩次滴下墨水的時間間隔，習(xí)慣上用希臘字母 表示。于是上式寫成
Δt=
師：從上式可以發(fā)現(xiàn)哪一位觀察者感覺時間長？
生：地上的觀察者感覺時間間隔較長。
師：上式具有普遍意義。下面請大家計算一個問題。
［投影］
一對孿生兄弟，出生后甲乘高速飛船去旅行，測量出自己飛行30年回到地面上，乙在地面上生活，問甲回來時30歲，乙這時是多少歲？（已知飛船速度v= c）
分析：已知飛船觀察者甲經(jīng)時間Δ =30年，地面上的觀察者乙經(jīng)過時間為
Δt= = 年=60年
可見甲的孿生兄弟已經(jīng)60歲了。
學(xué)生興趣盎然，教師引導(dǎo)學(xué)生進一步討論激發(fā)學(xué)生對高速運動狀態(tài)下的各種過程，例如物理、化學(xué)、生命過程變慢進行討論，加深對時間間隔相對性的理解。
師：通過前面的討論我們看到在不同參考系中，時間間隔是相對的。
4．時空相對性的驗證
師：請同學(xué)們不要忘記，時空相對性的奇妙圖景都是在兩個“假設(shè)”的基礎(chǔ)上推出的，它必須接受實驗的檢驗，否則永遠是猜想.大家有什么好的辦法嗎？
生：設(shè)法造出高速運動的飛船或火車。
師：目前我們還沒有辦法實現(xiàn)這樣高的速度的宏觀火車或飛船，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
速度0.99c
這段時間位移應(yīng)為s=vt≈0.99×108×3.0×3.0×10-6 m≈890 m
這樣，它在100 km高的大氣層上方根本不可能到達地面，而我們卻在地面找到了這
100 km 高處的來客，請大家分析原因。
生：因為μ子高速運動時的自身存在時間Δt′總是大于地面觀察到的時間Δt，也就是它的壽命變長了。
師：很好，大家再從長度相對性角度考慮解釋。
生：在μ子看來，這100 km厚的大氣層被變短了，在它的眼里只有890 m，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，實驗結(jié)果與理論符合得很好。
5．相對論的時空觀
師：下面我們來看看經(jīng)典物理學(xué)的時空觀與相對論時空觀的差異。
［投影下面表格］
經(jīng)典時空觀相對論時空觀
時間天然存在；一分一秒地流逝；與物質(zhì)運動無關(guān)與物質(zhì)存在與否及運動狀態(tài)有關(guān)
空間一個大盒子；物質(zhì)運動的場所與物質(zhì)存在與否及運動狀態(tài)有關(guān)
聯(lián)系二者脫離，沒有聯(lián)系，獨立存在物質(zhì)、時間、空間是緊密聯(lián)系的統(tǒng)一體
適用范圍低速運動物體遵循經(jīng)典物理學(xué)規(guī)律更有普遍意義，廣泛適用
（三）課堂總結(jié)、點評
本節(jié)課我們通過兩個基本假設(shè)，推導(dǎo)出了“同時”的相對性，長度的相對性，時間間隔的相對性。還?通過對微觀粒子探測和宏觀實驗驗證分析掌握了時空相對性的證據(jù)。通過比較認識了經(jīng)典物理學(xué)和相對論時空觀的不同。
（四）課余作業(yè)

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