《狹義相對論時空觀》的教學設計

高玲玲 楊陽

摘要：《狹義相對論時空觀》是大學物理的重點內容，由于其抽象且離現實生活較遠，學員理解比較困難。本文通過分析教學內容及重難點，確定采用啟發式教學、類比教學法、結合flash動畫的教學手段，通過典型例題解決學生盲目將固有時間、固有長度與狹義相對論靜系與動系的對應問題，從而加深學員對狹義相對論時空觀的理解。

關鍵詞：狹義相對論;相對性;時鐘延緩;長度收縮

1.教學內容及重難點

《狹義相對論時空觀》包括同時的相對性、時鐘延緩和長度收縮三個內容，三者都是狹義相對論時空觀的具體體現。本節課在學習洛倫茲變換的基礎上引入，為狹義相對論的動力學基礎做好鋪墊，是本章的重要內容。其中時間膨脹、長度收縮效應是本節課的重點，反映狹義相對論時空觀的同時的相對性是本節課的難點。

2.教學手段

本文通過提問思考的方式進行啟發式教學，結合flash動畫課件加強抽象事件的理解，在講解完時間膨脹后通過類比教學法進行長度收縮的講解，培養學員科學的思維方法，最后精講多練加強知識的鞏固，從而使學員真正理解相對論的時空觀。

3.教學流程

3.1課程引入

舊知復習。首先復習相對性原理、光速不變原理及洛倫茲變換，重點強調洛倫茲變換式中各參數的物理意義，為正課內容做好知識鋪墊。

實例引入。通過舉例時空穿梭、天上一日地下一年、宇宙航行。熱鍋上的螞蟻，哪怕一分鐘也會覺得很長很長。假如正在外出休假，一上午也會覺得很短。直觀引出時間是相對的，與所處的參考系有關。

3.2理論精講

3.2.1同時的相對性

Flash動畫：動畫1，在S系中，觀察者處于A、B中間，在觀察者看來A、B兩處發出的光同時到達自己。有相對S系向左、向右運動的參考系S^'和S^''中同樣有觀察者，通過動畫觀察，向左運動的參考系中B先A后，在向右運動出參考系中A先B后。動畫2，在觀察者處于運動的火車中央，在他看來前后兩個光源發出的光同時到達自己，而地面上的觀察者看到不是同時到達。

結論：在同一慣性系中不同地點同時發生的兩個事件，在另一慣性系中不再是同時的。

思考：同時的兩個事件，在另一慣性系中是否能同時？

推導：洛倫茲變換推導

結論：在同一慣性系中同時同地發生的兩個事件，在其他慣性系中觀測一定同時發生;在同一慣性系中同時不同地發生的兩個事件，在其他慣性系中觀測一定不同時發生。

思考：不同時的兩個事件，在同一慣性系中能否交換時序？

推導：洛倫茲變換推導

結論：時序具有相對性

思考：時序是否會有絕對性？

例題講解：例1通過甲乙兩地分別在t1時刻甲出生，t2時刻乙出生，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，從飛船上看誰先出生？

例2飛船上觀察投籃的先后順序是否會發生變化？

結論：有因果關系的事件，時序時絕對的;無因果關系的事件無所謂誰先誰后。

設計理由：通過flash動畫直觀發現問題。通過提出思考、理論推導、實例計算、總結結論，環環相扣，實現了啟發式教學的目標，訓練學生科學的思維方法。

3.2.2時鐘延緩

Flash動畫：光脈沖信號置于運動的火車上，火車上和地面上的觀察者看來，光脈沖信號運動一周的時間不同，根據計算得出兩者時間關系

其中?t0、?t分別是在火車上和地面上觀察者測得光脈沖運動一個周期的時間。強調?t0是事件相對于靜止的參考系中測得的時間間隔。

理論計算：洛倫茲變換：

結論：時鐘延緩。強調固有時間τ0是相對于事件發生地點靜止的慣性參考系中測得的時間間隔。

Flash動畫：演示時間延緩效應。對比相對飛機靜止的時鐘慢和地面上觀察時鐘時間的快;相對地面靜止的時鐘慢和飛機上觀察時鐘時間的快。加深對相對時間和固有時間的理解。

案例分析：孿生子佯謬與實際現象的矛盾，強調狹義相對論適用于慣性參考系，引出孿生子效應，拓展廣義相對論。

實例計算：例1（時間相對論公式的直接應用）光子火箭以0.95的速率勻速直線運動，火箭上的計時器記錄火箭飛行了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，當其從2000m的高空以0.995c飛向地面時，地面實驗室找到了該種粒子。求地面實驗室測得μ子平均飛行距離。

設計理由：通過falsh動畫和洛倫茲變換計算得出時間間隔的相對論公式，再用動畫對比加強時間相對性的理解，案例分析進行知識的拓展，實例計算加強知識的應用，培養學生科追求真理的精神。

3.2.3長度收縮

類比教學法。固有長度：相對物體靜止的慣性系中測得的長度。

洛倫茲變換：得出長度的相對論公式

Flash動畫：演示長度收縮效應，加深對相對長度和固有長度的理解。

實例計算：例1（長度相對論公式的直接應用）飛船靜止時長為100m，當以30m/s和0.99c飛行時，地面觀測者測飛船長多少;例2（長度相對論公式和洛倫茲變換的區別）短跑運動員在地球上用10s跑完了100m，在0.8c飛行的飛船上觀測，跑道有多長，運動員跑過多長距離，跑了多長時間？例3（長度收縮只發生在運動方向上）一速度為0.8c的飛船上觀察地面上5*5m2的畫的面積是多大？

設計理由：通過類比教學法，類比長度收縮和時間延緩的推導相似性、應用相似性，增加學生探索科學的自信心。

3.3課堂小結

狹義相對論時空觀：通過前面三個內容可知時間和空間的測量與參考系的選擇有關，時間和空間是相互聯系的。

（1）“同時”是相對的，沒有絕對的時間;

（2）空間長度因運動而被壓縮;

（3）時間流逝因運動而延緩。

參考文獻

[1] 康穎.大學物理（下冊）[J]，科學出版社，2019.05

[2] 何春山.狹義相對論時空觀的教學探討[J]，物理與工程，2018.05

[3] 李海英，張金寶.關于狹義相對論時空觀教學的探討[J]，物理與工程，2018.S1

作者簡介：高玲玲，現任武警警官學院講師

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