(共14张PPT)
第五章
牛顿力学的局限性与相对论初步
第二节
相对论时空观
粤教版
必修第二册
第三节
宇宙起源和演化
爱因斯坦在16岁时，开始思考如果追逐空间中的一束光，会有什么结果。爱因斯坦推断，如果能追上光，就意味着空间中的光像冻结了一样。但是，光不会被冻结。因此，光的速度不会慢下来，仍然以光速运动。那么，即使追上了光线，观察者也会发现光速不变，出现变化的是其它东西。
一、狭义相对论的基本假设
【思考问题】（1）促使爱因斯坦进行狭义相对论的研究的原因是什么？
（2）若按照追光思想实验，若人能追上光，时间会凝固吗？这与牛顿提出的时间均匀变化如同流水永不停息，与外在情况无关的结论是否不符？
一、狭义相对论的基本假设
1、相对性原理：在所有惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。
2、光速不变原理：在所有的惯性参考系中，测得真空中的光速都相同。
二、时空相对性
1、同时的相对性：在一个惯性参考系中同时发生的两个事件，在另一个惯性参考系看来是不同时的，这被称为同时的相对性。
情境1：一节做匀速直线运动的火车车厢中间顶部O处挂着一盏灯，前后门都有自动装置，使车门一接收到光信号便自动打开。车厢中间站着甲同学，站台上站着乙同学。
【讨论与交流】根据狭义相对论的两个基本假设，当火车匀速前进时，电灯一亮，由车厢里的甲同学所在的惯性参考系观测，前后门是否同时打开？由站台上乙同学所在的惯性参考系观测，前后门是否同时打开？
甲同学：观测到两个车门同时打开；
乙同学：观测到后面先打开。
光信号传递到前门的距离大于传递到后门的距离。
二、时空相对性
情境2：一节做匀速直线运动的车厢，地板上A处有一盏灯，在灯的正上方车厢顶B处有一面镜子，AB间高为h。打开灯的开关，光信号从A处到B处，再由镜面反射回到A处。车厢里站着甲同学，站台上站着乙同学。
甲同学观测，光信号的往返时间：
乙同学观测，光信号的往返时间为
二、时空相对性
1、同时的相对性：在一个惯性参考系中同时发生的两个事件，在另一个惯性参考系看来是不同时的，这被称为同时的相对性。
2、时间间隔的相对性，也称为“时间延缓”、“时间膨胀”或“钟慢效应”。
二、时空相对性
情境3：有一个火车头即将匀速通过站台，已知它的速度为
，甲同学坐在火车头中，乙同学站在站台上，他们各有一个钟，分别用来测量站台AB的长度。
甲同学测出相对火车头运动的站台长度为：
乙同学测出相对地面静止的站台长度为：
二、时空相对性
1、同时的相对性：在一个惯性参考系中同时发生的两个事件，在另一个惯性参考系看来是不同时的，这被称为同时的相对性。
2、时间间隔的相对性，也称为“时间延缓”、“时间膨胀”或“钟慢效应”。
3、空间距离的相对性，也称为“长度收缩”或“尺缩效应”。
【讨论与交流】为什么在日常生活中我们从未感受到时间延缓效应和长度收缩效应？
三、时空弯曲
1、爱因斯坦在1915年提出了广义相对论。
2、物体的引力场会使光线弯曲，引力场越强，光线弯曲越厉害。
四、宇宙起源和演化
【思考问题】（1）古代比较有代表性的宇宙模型有哪些？这些宇宙模型各有什么特点？它们的局限性是什么？
（2）宇宙模型在近现代的发展情况是怎样的？
（3）宇宙学研究领域取得了哪些骄人成绩？《相对论时空观》、《宇宙起源和演化》教学设计
教学目标：
通过了解狭义相对论和广义相对论，深化对相对论时空观的认识，了解人类对宇宙的认识历程，建立科学的宇宙观；
了解爱因斯坦创立狭义相对论和广义相对论的过程，初步体会创立科学理论的基本方法，促进学生科学思维及科学探究能力的发展；
体会通过宇宙模型建构进行宇宙起源学研究的方法，落实对科学思维和科学探究能力的培养；
初步了解相对论的发展，初步认识科学的探究本质，树立科学的态度和价值观。
教学重点：
狭义相对论的基本假设
时空相对性；
教学难点：
时空相对性
教学方法：
在教师引导下，通过阅读，查阅资料，开展自主学习。
课时安排：1课时
问题引入：
爱因斯坦在16岁时，开始思考如果追逐空间中的一束光，会有什么结果。爱因斯坦推断，如果能追上光，就意味着空间中的光像冻结了一样。但是，光不会被冻结。因此，光的速度不会慢下来，仍然以光速运动。那么，即使追上了光线，观察者也会发现光速不变，出现变化的是其它东西。
新课教学：
狭义相对论的基本假设
【思考问题】（1）促使爱因斯坦进行狭义相对论的研究的原因是什么？
实验中测得光速不变的结论与用牛顿力学解释的生活常识不符的矛盾。
若按照追光思想实验，若人能追上光，时间会凝固吗？这与牛顿提出的时间均匀变化如同流水永不停息，与外在情况无关的结论是否不符？
相对性原理：在所有惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。
光速不变原理：在所有的惯性参考系中，测得真空中的光速都相同。
时空相对性
1、同时的相对性：在一个惯性参考系中同时发生的两个事件，在另一个惯性参考系看来是不同时的，这被称为同时的相对性。
情境1：一节做匀速直线运动的火车车厢中间顶部O处挂着一盏灯，前后门都有自动装置，使车门一接收到光信号便自动打开。车厢中间站着甲同学，站台上站着乙同学。
【讨论与交流】根据狭义相对论的两个基本假设，当火车匀速前进时，电灯一亮，由车厢里的甲同学所在的惯性参考系观测，前后门是否同时打开？由站台上乙同学所在的惯性参考系观测，前后门是否同时打开？
甲同学：观测到两个车门同时打开；
乙同学：观测到后面先打开。光信号传递到前门的距离大于传递到后门的距离。
情境2：一节做匀速直线运动的车厢，地板上A处有一盏灯，在灯的正上方车厢顶B处有一面镜子，AB间高为h。打开灯的开关，光信号从A处到B处，再由镜面反射回到A处。车厢里站着甲同学，站台上站着乙同学。
甲同学观测，光信号的往返时间：
乙同学观测，光信号的往返时间为，
得到：
所以：
2、时间间隔的相对性，也称为“时间延缓”、“时间膨胀”或“钟慢效应”。
情境3：有一个火车头即将匀速通过站台，已知它的速度为，甲同学坐在火车头中，乙同学站在站台上，他们各有一个钟，分别用来测量站台AB的长度。
甲同学测出相对火车头运动的站台长度为：
乙同学测出相对地面静止的站台长度为：
得到：
所以：
3、空间距离的相对性，也称为“长度收缩”或“尺缩效应”。
【讨论与交流】为什么在日常生活中我们从未感受到时间延缓效应和长度收缩效应？
我们生活在低速运动的世界里，自然而然地接受了牛顿的绝对时空观。
三、时空弯曲
爱因斯坦在1915年提出了广义相对论。
物体的引力场会使光线弯曲，引力场越强，光线弯曲越厉害。
四、宇宙起源和演化
【思考问题】（1）古代比较有代表性的宇宙模型有哪些？这些宇宙模型各有什么特点？它们的局限性是什么？
（2）宇宙模型在近现代的发展情况是怎样的？
宇宙学研究领域取得了哪些骄人成绩？
课堂小结：
了解相对论时空观和经典力学时空观的区别。
经典力学的绝对时空观：一个事件经历时间的长短，一个物体长度的大小，都被认为是不变的，时间和空间是没有联系的。
爱因斯坦的相对论时空观：对高速运动情境来说，时间长短、长度大小都是相对的，跟速度大小有确定的关系。
课后作业：
阅读教材
