《狹義相對(duì)論時(shí)空觀》的教學(xué)設(shè)計(jì)

高玲玲 楊陽(yáng)

摘要：《狹義相對(duì)論時(shí)空觀》是大學(xué)物理的重點(diǎn)內(nèi)容，由于其抽象且離現(xiàn)實(shí)生活較遠(yuǎn)，學(xué)員理解比較困難。本文通過(guò)分析教學(xué)內(nèi)容及重難點(diǎn)，確定采用啟發(fā)式教學(xué)、類(lèi)比教學(xué)法、結(jié)合flash動(dòng)畫(huà)的教學(xué)手段，通過(guò)典型例題解決學(xué)生盲目將固有時(shí)間、固有長(zhǎng)度與狹義相對(duì)論靜系與動(dòng)系的對(duì)應(yīng)問(wèn)題，從而加深學(xué)員對(duì)狹義相對(duì)論時(shí)空觀的理解。

關(guān)鍵詞：狹義相對(duì)論;相對(duì)性;時(shí)鐘延緩;長(zhǎng)度收縮

1.教學(xué)內(nèi)容及重難點(diǎn)

《狹義相對(duì)論時(shí)空觀》包括同時(shí)的相對(duì)性、時(shí)鐘延緩和長(zhǎng)度收縮三個(gè)內(nèi)容，三者都是狹義相對(duì)論時(shí)空觀的具體體現(xiàn)。本節(jié)課在學(xué)習(xí)洛倫茲變換的基礎(chǔ)上引入，為狹義相對(duì)論的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)做好鋪墊，是本章的重要內(nèi)容。其中時(shí)間膨脹、長(zhǎng)度收縮效應(yīng)是本節(jié)課的重點(diǎn)，反映狹義相對(duì)論時(shí)空觀的同時(shí)的相對(duì)性是本節(jié)課的難點(diǎn)。

2.教學(xué)手段

本文通過(guò)提問(wèn)思考的方式進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)，結(jié)合flash動(dòng)畫(huà)課件加強(qiáng)抽象事件的理解，在講解完時(shí)間膨脹后通過(guò)類(lèi)比教學(xué)法進(jìn)行長(zhǎng)度收縮的講解，培養(yǎng)學(xué)員科學(xué)的思維方法，最后精講多練加強(qiáng)知識(shí)的鞏固，從而使學(xué)員真正理解相對(duì)論的時(shí)空觀。

3.教學(xué)流程

3.1課程引入

舊知復(fù)習(xí)。首先復(fù)習(xí)相對(duì)性原理、光速不變?cè)砑奥鍌惼澴儞Q，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)洛倫茲變換式中各參數(shù)的物理意義，為正課內(nèi)容做好知識(shí)鋪墊。

實(shí)例引入。通過(guò)舉例時(shí)空穿梭、天上一日地下一年、宇宙航行。熱鍋上的螞蟻，哪怕一分鐘也會(huì)覺(jué)得很長(zhǎng)很長(zhǎng)。假如正在外出休假，一上午也會(huì)覺(jué)得很短。直觀引出時(shí)間是相對(duì)的，與所處的參考系有關(guān)。

3.2理論精講

3.2.1同時(shí)的相對(duì)性

Flash動(dòng)畫(huà)：動(dòng)畫(huà)1，在S系中，觀察者處于A、B中間，在觀察者看來(lái)A、B兩處發(fā)出的光同時(shí)到達(dá)自己。有相對(duì)S系向左、向右運(yùn)動(dòng)的參考系S^'和S^''中同樣有觀察者，通過(guò)動(dòng)畫(huà)觀察，向左運(yùn)動(dòng)的參考系中B先A后，在向右運(yùn)動(dòng)出參考系中A先B后。動(dòng)畫(huà)2，在觀察者處于運(yùn)動(dòng)的火車(chē)中央，在他看來(lái)前后兩個(gè)光源發(fā)出的光同時(shí)到達(dá)自己，而地面上的觀察者看到不是同時(shí)到達(dá)。

結(jié)論：在同一慣性系中不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一慣性系中不再是同時(shí)的。

思考：同時(shí)的兩個(gè)事件，在另一慣性系中是否能同時(shí)？

推導(dǎo)：洛倫茲變換推導(dǎo)

結(jié)論：在同一慣性系中同時(shí)同地發(fā)生的兩個(gè)事件，在其他慣性系中觀測(cè)一定同時(shí)發(fā)生;在同一慣性系中同時(shí)不同地發(fā)生的兩個(gè)事件，在其他慣性系中觀測(cè)一定不同時(shí)發(fā)生。

思考：不同時(shí)的兩個(gè)事件，在同一慣性系中能否交換時(shí)序？

推導(dǎo)：洛倫茲變換推導(dǎo)

結(jié)論：時(shí)序具有相對(duì)性

思考：時(shí)序是否會(huì)有絕對(duì)性？

例題講解：例1通過(guò)甲乙兩地分別在t1時(shí)刻甲出生，t2時(shí)刻乙出生，且t2-t1=0.006s，兩地相距3000km，飛船飛行速度分別為0.5c、0.6c、0.8c時(shí)，從飛船上看誰(shuí)先出生？

例2飛船上觀察投籃的先后順序是否會(huì)發(fā)生變化？

結(jié)論：有因果關(guān)系的事件，時(shí)序時(shí)絕對(duì)的;無(wú)因果關(guān)系的事件無(wú)所謂誰(shuí)先誰(shuí)后。

設(shè)計(jì)理由：通過(guò)flash動(dòng)畫(huà)直觀發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。通過(guò)提出思考、理論推導(dǎo)、實(shí)例計(jì)算、總結(jié)結(jié)論，環(huán)環(huán)相扣，實(shí)現(xiàn)了啟發(fā)式教學(xué)的目標(biāo)，訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)的思維方法。

3.2.2時(shí)鐘延緩

Flash動(dòng)畫(huà)：光脈沖信號(hào)置于運(yùn)動(dòng)的火車(chē)上，火車(chē)上和地面上的觀察者看來(lái)，光脈沖信號(hào)運(yùn)動(dòng)一周的時(shí)間不同，根據(jù)計(jì)算得出兩者時(shí)間關(guān)系

其中?t0、?t分別是在火車(chē)上和地面上觀察者測(cè)得光脈沖運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期的時(shí)間。強(qiáng)調(diào)?t0是事件相對(duì)于靜止的參考系中測(cè)得的時(shí)間間隔。

理論計(jì)算：洛倫茲變換：

結(jié)論：時(shí)鐘延緩。強(qiáng)調(diào)固有時(shí)間τ0是相對(duì)于事件發(fā)生地點(diǎn)靜止的慣性參考系中測(cè)得的時(shí)間間隔。

Flash動(dòng)畫(huà)：演示時(shí)間延緩效應(yīng)。對(duì)比相對(duì)飛機(jī)靜止的時(shí)鐘慢和地面上觀察時(shí)鐘時(shí)間的快;相對(duì)地面靜止的時(shí)鐘慢和飛機(jī)上觀察時(shí)鐘時(shí)間的快。加深對(duì)相對(duì)時(shí)間和固有時(shí)間的理解。

案例分析：孿生子佯謬與實(shí)際現(xiàn)象的矛盾，強(qiáng)調(diào)狹義相對(duì)論適用于慣性參考系，引出孿生子效應(yīng)，拓展廣義相對(duì)論。

實(shí)例計(jì)算：例1（時(shí)間相對(duì)論公式的直接應(yīng)用）光子火箭以0.95的速率勻速直線運(yùn)動(dòng)，火箭上的計(jì)時(shí)器記錄火箭飛行了10min，地球上的觀察者觀察火箭飛行了多久;例2（狹義相對(duì)論在高速慣性系中的意義）μ子的固定壽命為2.2*10-6 s，當(dāng)其從2000m的高空以0.995c飛向地面時(shí)，地面實(shí)驗(yàn)室找到了該種粒子。求地面實(shí)驗(yàn)室測(cè)得μ子平均飛行距離。

設(shè)計(jì)理由：通過(guò)falsh動(dòng)畫(huà)和洛倫茲變換計(jì)算得出時(shí)間間隔的相對(duì)論公式，再用動(dòng)畫(huà)對(duì)比加強(qiáng)時(shí)間相對(duì)性的理解，案例分析進(jìn)行知識(shí)的拓展，實(shí)例計(jì)算加強(qiáng)知識(shí)的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生科追求真理的精神。

3.2.3長(zhǎng)度收縮

類(lèi)比教學(xué)法。固有長(zhǎng)度：相對(duì)物體靜止的慣性系中測(cè)得的長(zhǎng)度。

洛倫茲變換：得出長(zhǎng)度的相對(duì)論公式

Flash動(dòng)畫(huà)：演示長(zhǎng)度收縮效應(yīng)，加深對(duì)相對(duì)長(zhǎng)度和固有長(zhǎng)度的理解。

實(shí)例計(jì)算：例1（長(zhǎng)度相對(duì)論公式的直接應(yīng)用）飛船靜止時(shí)長(zhǎng)為100m，當(dāng)以30m/s和0.99c飛行時(shí)，地面觀測(cè)者測(cè)飛船長(zhǎng)多少;例2（長(zhǎng)度相對(duì)論公式和洛倫茲變換的區(qū)別）短跑運(yùn)動(dòng)員在地球上用10s跑完了100m，在0.8c飛行的飛船上觀測(cè)，跑道有多長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)員跑過(guò)多長(zhǎng)距離，跑了多長(zhǎng)時(shí)間？例3（長(zhǎng)度收縮只發(fā)生在運(yùn)動(dòng)方向上）一速度為0.8c的飛船上觀察地面上5*5m2的畫(huà)的面積是多大？

設(shè)計(jì)理由：通過(guò)類(lèi)比教學(xué)法，類(lèi)比長(zhǎng)度收縮和時(shí)間延緩的推導(dǎo)相似性、應(yīng)用相似性，增加學(xué)生探索科學(xué)的自信心。

3.3課堂小結(jié)

狹義相對(duì)論時(shí)空觀：通過(guò)前面三個(gè)內(nèi)容可知時(shí)間和空間的測(cè)量與參考系的選擇有關(guān)，時(shí)間和空間是相互聯(lián)系的。

（1）“同時(shí)”是相對(duì)的，沒(méi)有絕對(duì)的時(shí)間;

（2）空間長(zhǎng)度因運(yùn)動(dòng)而被壓縮;

（3）時(shí)間流逝因運(yùn)動(dòng)而延緩。

參考文獻(xiàn)

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[2] 何春山.狹義相對(duì)論時(shí)空觀的教學(xué)探討[J]，物理與工程，2018.05

[3] 李海英，張金寶.關(guān)于狹義相對(duì)論時(shí)空觀教學(xué)的探討[J]，物理與工程，2018.S1

作者簡(jiǎn)介：高玲玲，現(xiàn)任武警警官學(xué)院講師

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