高中必修第二册《第2节 相对论中的神奇时空》优质课教案下载

高中必修第二册《第2节 相对论中的神奇时空》优质课教案教学设计下载

科学探究：知道在可靠的实验事实基础上，进行科学推理、合理假设等科学研究方法的重要性。

科学态度与责任：通过学习，体会在科学研究中不放过丝毫疑惑、穷根究理的态度和责任。

教学重点：了解时间延缓效应和长度收缩效应及其相关计算公式；了解质能关系及其相关计算公式；初步了解时空弯曲现象；知道牛顿经典力学适用宏观低速的原因。

2、教学难点：了解时间延缓效应和长度收缩效应。

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【新课导入】

狭义相对论中的两个基本假设包含了不同于经典力学的新时空观，这种新时空观变革了传统的空间、时间、质量、能量等基本概念，揭示了时空统一性和物质、运动的统一性，因此会得出不同于“日常”的奇妙结论。

【新课内容】

一.时间延缓效应

经典时空观认为，时间是绝对时间，就像一条长河，源源不断地从过去到现在直至将来，与运动无关。而相对论时空观则认为，当时钟相对于观测者静止时，时钟走得快些； 当时钟相对于观测者高速运动时，观测者则认为时钟变慢了。

分析：在此过程中车上的钟走过的时间为Δt1，称固有时.静止在地面上的观察者看来，由于列车在高速行驶测得该过程经历的时间为Δt设车厢高度为h，列车行驶速度为v,则Δt＝。

爱因斯坦曾预言，两个校准好的钟，当一个沿闭合路线运动返回原地时，它记录的时间比原地不动的钟会慢一些。这已被高精度的铯原子钟超音速环球飞行实验证实。在相对论时空观中，运动时钟时间与静止时钟时间的关系：Δt＝。由于v＜c，所以Δt＞Δt′，即运动的钟比静止的钟走得慢。这种效应被称为时间延缓。

例1.a、b、c为三个完全相同的时钟，a放在水平地面上，b、c分别放在以速度vb、vc向同一方向飞行的两枚火箭上，且vb

解析　根据公式Δt＝可知，相对于观察者的速度v越大，其上的时间进程越慢，由vc>vb>va＝0，C时钟走最慢，A走最快。

例2.有一对孪生兄弟，在20岁时，哥哥从地球出发乘飞船运行10年后，哥俩的年龄各是多少？（已知飞船速度）

=0.447年，哥哥20.5岁和弟弟30岁.

由动钟变慢产生了“孪生子佯谬”。这个问题的关键是周游天外的哥要回到出发点。倘若哥的飞船仅仅作匀速直线运动，是办不到这一点的。哥的飞行路线必然是有来有去，或是转一个圈子；在此在弟看来，哥是在作有速度变化的运动，当然，在哥看来，弟相对于他也在作变速运动。按照动钟变慢的理论，弟看飞船钟变慢，哥看地球钟变慢这种对称性，只有当弟和哥之间的相对运动是匀速直线运动时才能保持。一旦出现了变速的相对运动，就不能使用这个对称性了。即这种情况超出狭义相对论的理论范围,按照广义相对论来讨论,这种现象是能够发生的。

1971年美国科学家将精确度极高的铯原子钟放在飞机上,沿赤道向东和向西绕地球一周,回到原处后,分别比静止在地面上的钟慢59纳秒和快273纳秒(1纳秒等 于10-9秒)。因为地球以一定的角速度从西往东转,地面不是惯性系,而从地心指向太阳的参考系是惯性系。飞机的速度总是小于太阳的速度,无论向东还是向西,它相对于惯性系都是向东转的,只是前者转速大,后者转速小,而地面上的钟转速介于二者之间。上述实验表明,相对于惯性系转速愈大的钟走得愈慢,这和孪生子问题所预期的效应是一致的。上述实验结果与广义相对论的理论计算比较,在实验误差范围内相符。因而,我们今天不应再说“孪生子佯谬 ”而应改称孪生子效应了。

例3.(多选)一列很长的火车在沿平直车道飞快地匀速行驶，车厢中央有一个光源发出了一个闪光，闪光照到车厢的前壁和后壁。对这两个事件说法正确的是(　AD　 )

A.车上的观察者认为两个事件是同时的

B.车上的观察者认为光先到达后壁

C.地面上的观察者认为两个事件是同时的

D.地面上的观察者认为光到达前壁的时刻晚些

二.长度收缩效应:

长度的测量方法：同时测出杆的两端M、N的位置坐标，坐标之差就是测出的杆长.