《狭义相对论时空观》的教学设计

高玲玲 杨阳

摘要：《狭义相对论时空观》是大学物理的重点内容，由于其抽象且离现实生活较远，学员理解比较困难。本文通过分析教学内容及重难点，确定采用启发式教学、类比教学法、结合flash动画的教学手段，通过典型例题解决学生盲目将固有时间、固有长度与狭义相对论静系与动系的对应问题，从而加深学员对狭义相对论时空观的理解。

关键词：狭义相对论;相对性;时钟延缓;长度收缩

1.教学内容及重难点

《狭义相对论时空观》包括同时的相对性、时钟延缓和长度收缩三个内容，三者都是狭义相对论时空观的具体体现。本节课在学习洛伦兹变换的基础上引入，为狭义相对论的动力学基础做好铺垫，是本章的重要内容。其中时间膨胀、长度收缩效应是本节课的重点，反映狭义相对论时空观的同时的相对性是本节课的难点。

2.教学手段

本文通过提问思考的方式进行启发式教学，结合flash動画课件加强抽象事件的理解，在讲解完时间膨胀后通过类比教学法进行长度收缩的讲解，培养学员科学的思维方法，最后精讲多练加强知识的巩固，从而使学员真正理解相对论的时空观。

3.教学流程

3.1课程引入

旧知复习。首先复习相对性原理、光速不变原理及洛伦兹变换，重点强调洛伦兹变换式中各参数的物理意义，为正课内容做好知识铺垫。

实例引入。通过举例时空穿梭、天上一日地下一年、宇宙航行。热锅上的蚂蚁，哪怕一分钟也会觉得很长很长。假如正在外出休假，一上午也会觉得很短。直观引出时间是相对的，与所处的参考系有关。

3.2理论精讲

3.2.1同时的相对性

Flash动画：动画1，在S系中，观察者处于A、B中间，在观察者看来A、B两处发出的光同时到达自己。有相对S系向左、向右运动的参考系S^'和S^''中同样有观察者，通过动画观察，向左运动的参考系中B先A后，在向右运动出参考系中A先B后。动画2，在观察者处于运动的火车中央，在他看来前后两个光源发出的光同时到达自己，而地面上的观察者看到不是同时到达。

结论：在同一惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一惯性系中不再是同时的。

思考：同时的两个事件，在另一惯性系中是否能同时？

推导：洛伦兹变换推导

结论：在同一惯性系中同时同地发生的两个事件，在其他惯性系中观测一定同时发生;在同一惯性系中同时不同地发生的两个事件，在其他惯性系中观测一定不同时发生。

思考：不同时的两个事件，在同一惯性系中能否交换时序？

推导：洛伦兹变换推导

结论：时序具有相对性

思考：时序是否会有绝对性？

例题讲解：例1通过甲乙两地分别在t1时刻甲出生，t2时刻乙出生，且t2-t1=0.006s，两地相距3000km，飞船飞行速度分别为0.5c、0.6c、0.8c时，从飞船上看谁先出生？

例2飞船上观察投篮的先后顺序是否会发生变化？

结论：有因果关系的事件，时序时绝对的;无因果关系的事件无所谓谁先谁后。

设计理由：通过flash动画直观发现问题。通过提出思考、理论推导、实例计算、总结结论，环环相扣，实现了启发式教学的目标，训练学生科学的思维方法。

3.2.2时钟延缓

Flash动画：光脉冲信号置于运动的火车上，火车上和地面上的观察者看来，光脉冲信号运动一周的时间不同，根据计算得出两者时间关系

其中∆t0、∆t分别是在火车上和地面上观察者测得光脉冲运动一个周期的时间。强调∆t0是事件相对于静止的参考系中测得的时间间隔。

理论计算：洛伦兹变换：

结论：时钟延缓。强调固有时间τ0是相对于事件发生地点静止的惯性参考系中测得的时间间隔。

Flash动画：演示时间延缓效应。对比相对飞机静止的时钟慢和地面上观察时钟时间的快;相对地面静止的时钟慢和飞机上观察时钟时间的快。加深对相对时间和固有时间的理解。

案例分析：孪生子佯谬与实际现象的矛盾，强调狭义相对论适用于惯性参考系，引出孪生子效应，拓展广义相对论。

实例计算：例1（时间相对论公式的直接应用）光子火箭以0.95的速率匀速直线运动，火箭上的计时器记录火箭飞行了10min，地球上的观察者观察火箭飞行了多久;例2（狭义相对论在高速惯性系中的意义）μ子的固定寿命为2.2*10-6 s，当其从2000m的高空以0.995c飞向地面时，地面实验室找到了该种粒子。求地面实验室测得μ子平均飞行距离。

设计理由：通过falsh动画和洛伦兹变换计算得出时间间隔的相对论公式，再用动画对比加强时间相对性的理解，案例分析进行知识的拓展，实例计算加强知识的应用，培养学生科追求真理的精神。

3.2.3长度收缩

类比教学法。固有长度：相对物体静止的惯性系中测得的长度。

洛伦兹变换：得出长度的相对论公式

Flash动画：演示长度收缩效应，加深对相对长度和固有长度的理解。

实例计算：例1（长度相对论公式的直接应用）飞船静止时长为100m，当以30m/s和0.99c飞行时，地面观测者测飞船长多少;例2（长度相对论公式和洛伦兹变换的区别）短跑运动员在地球上用10s跑完了100m，在0.8c飞行的飞船上观测，跑道有多长，运动员跑过多长距离，跑了多长时间？例3（长度收缩只发生在运动方向上）一速度为0.8c的飞船上观察地面上5*5m2的画的面积是多大？

设计理由：通过类比教学法，类比长度收缩和时间延缓的推导相似性、应用相似性，增加学生探索科学的自信心。

3.3课堂小结

狭义相对论时空观：通过前面三个内容可知时间和空间的测量与参考系的选择有关，时间和空间是相互联系的。

（1）“同时”是相对的，没有绝对的时间;

（2）空间长度因运动而被压缩;

（3）时间流逝因运动而延缓。

参考文献

[1] 康颖.大学物理（下册）[J]，科学出版社，2019.05

[2] 何春山.狭义相对论时空观的教学探讨[J]，物理与工程，2018.05

[3] 李海英，张金宝.关于狭义相对论时空观教学的探讨[J]，物理与工程，2018.S1

作者简介：高玲玲，现任武警警官学院讲师

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