Student understanding of time in special relativity: Simultaneity and reference frames

Scherr, Rachel E.; Shaffer, Peter S.; Vokos, Stamatis

doi:10.1119/1.1371254

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“…Os estudantes manifestaram resistênciaà aceitação do tempo relativístico, elucidando suas concepções clássicas e evidenciando o processo de conflito, em concordância com o resultado apontado por Scherr et al [19], enquanto o professor buscava argumentos que concorressem para a plausibilidade do mesmo. A análise numérica se mostrou fundamental para a compreensão da relação matemática entre a velocidade do referencial e a magnitude da dilatação do tempo.…”

Section: Conclusõesunclassified

Tempo relativístico no início do Ensino Médio

Karam

Cruz

Coimbra

2006

Rev. Bras. Ensino Fís.

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Este artigo relata uma intervenção de ensino realizada em uma turma de primeiro ano do Ensino Médio com o objetivo de abordar tópicos da teoria da relatividade restrita, imediatamente após o estudo da cinemática usual. Partindo das pré-concepções dos estudantes, analisamos a ampliação do perfil conceitual de tempo dos mesmos através do reconhecimento de sua relação com a dependência com o referencial. As atividades realizadas em sala são descritas e a análise de episódios de ensino e das respostas dos estudantes aos pré e pós-testes apontam a proficuidade da metodologia escolhida em função do sucesso da aprendizagem constatada. Palavras-chave: tempo, perfil conceitual, física moderna no Ensino Médio.In this work we report a teaching intervention program with junior high-school students focusing on topics of the special theory of relativity is reported just after the discussion of usual kinematics. Starting from the analysis of common misconceptions, the enhancement of the conceptual profile of time was demonstrated through their identification of its relation with the reference frame. We describe the activities which are worked out. The analysis of classroom episodes and performance tests pointed out that the adopted methodology was profitable. Keywords: time, conceptual profile, modern physics in high school. IntroduçãoImmanuel Kant, em seu livro Críticaà Razão Pura, classificou os juízos em analíticos e sintéticos. Um juízo analítico permite, e um sintético não, ser demonstrado pela lógica. Os juízos sintéticos subdividemse em empíricos (cuja veracidade pode ser constatada pela experiência) e em apriorísticos (entendido pelo autor como evidente por si mesmo). Segundo Kant, o tempo nãoé um conceito, istoé, uma classe de objetos múltiplos, mas um esquemaúnico, constituindo um juízo a priori [1].Desde a mais remota Antigüidade, o conceito de tempo vem instigando a inteligência humana. O chronos grego e o tempus latino sempre foram objeto de considerações, desde os filósofos pitagóricos, para quem o tempo era definido como a parte mensurável do movimento observável na esfera celeste, pois o movimento aparente dos corpos no céu era usado para avaliá-lo. A forma mais elementar do tempoé a organização cronológica, elaborada segundo uma causalidade espacializada. Em outras palavras, envolve um agrupamento de sucessões de durações, definidas como intervalos entre acontecimentos instantâneos sucessivos, cujo fluxo contínuoé uniforme. A medida de tempo correspondeà iteração da unidade de duração, sintetizando operações de deslocamento e as de partição [2]. A autêntica reificação do tempo decorre de uma alteração essencial na forma de observação da passagem de eventos. Segundo Paul Davies, matematicamente, o tempoé um espaço unidimensional, geralmente considerado contínuo, embora possa ser discretizado em cronons, como quadros de um filme [3]. Da perspectiva neurológica, a experiência de duração do tempoé um constructo [4].O tempo racionalé reversível e homogêneo. A distinção entre espaço e tempoé a base do conceito de ca...

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Section: Conclusõesunclassified

Tempo relativístico no início do Ensino Médio

Karam

Cruz

Coimbra

2006

Rev. Bras. Ensino Fís.

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“…O leitor que estiver interessado nesse tópico pode consultar, por exemplo, os trabalhos de Ireson [18], Villani e Arruda [7], Berenguer e Selles [8], Berenguer [6], Scherr [19] ou Scher et al [20,21].…”

Section: Introductionunclassified

Deformações geométricas e velocidade superluminal aparentes em objetos em movimento relativístico

Cavalcanti¹,

Ostermann²

2007

Rev. Bras. Ens. Fis.

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Neste trabalho, como continuação do trabalho de Ostermann e Ricci (Caderno Catarinense de Ensino de Física 19, 176 (2002)), analisamos as deformações geométricas aparentes de três objetos em movimento relativístico: uma barra retilínea, um aro circular e uma esfera. Os livros didáticos de Física normalmente induzem o leitor a pensar que objetos em movimento relativístico em relação a um certo observador são vistos, por esse observador, contraídos na direção do movimento. Isso na verdade é o que seria medido por esse observador e não o que seria visto. É destacada neste trabalho a diferença entre medir e ver, já apontada no artigo anterior. Mostramos também que a velocidade aparente de alguns pontos do objeto pode ser superluminal quando o mesmo se aproxima do observador, confirmando resultados anteriores (Am. J. Phys. 73, 663 (2005)). Palavras-chave: relatividade, movimento relativístico, deformações aparentes, velocidade superluminal.In this work, continuing the previous one of Ostermann and Ricci (Caderno Catarinense de Ensino de Física 19, 176 (2002)), we analyze some apparent geometrical deformations of three objects in relativistic motion: straight rod, circular wire and a sphere. Physics textbooks usually lead the reader assume, erroneously, that objects relativistically moving in respect to a certain observer are seen, by this observer, contracted in the direction of its motion. Actually, this is that would be measured by the observer, different from that he sees. In this work we stress the difference between measuring and observing, as pointed out in previous work. We also show that the apparent speed of some points of the object can be superluminal when it approaches the observer, confirming previous results (Am. J. Phys. 73, 663 (2005)). Keywords: relativity, relativistic motion, apparent deformations, superluminal velocity. IntroduçãoA relatividade restrita é, salvo algumas exceções, abordada de forma muito superficial nos livros didáticos de física geral de ensino superior (ao menos nos de nível introdutório) e ensino médio. Normalmente, são apresentadas as transformações de Lorentz, sem demonstração ou discussão, para então deduzir a partir delas os conhecidos efeitos de dilatação temporal, contração de comprimento, transformação de velocidades e momento linear e, a partir do último, a energia cinética relativística. É possível também encontrar na literatura abordagens desses tópicos sem uso direto das transformações de Lorentz [1]. No entanto, é justamente das transformações de Lorentz que surge o cerne da relatividade restrita: a relatividade das medidas de comprimento e tempo, por exemplo. Essa tendência de abordar a relatividade restrita sem uso direto das transformações de Lorentz, embora pareça atraente, pode não levar ao entendimento mais profundo daquilo que ela realmente trata. É comum existirem erros conceituais, às vezes sutis, sobre relatividade restrita em livros didáticos. Por exemplo, em relação ao momento linear relativístico, é comum, nos livros, aparecer o conceito de massa relati...

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“…The learning aims for the theory of special relativity were also considered closely, so that what was included in the simulations dealt with the concepts considered to make up the canon for first-year university physics. The concepts of reference frames, time dilation, length contraction and the relativity of simultaneity have been repeatedly highlighted as core concepts for understanding special relativity (Mermin, 2005;Scherr et al, 2001Scherr et al, , 2002Taylor, 1989). Besides these standard concepts, RTR also displays other less commonly discussed phenomena, because it is a complete description of a world obeying the laws of relativistic physics.…”

Section: Initial Trialsmentioning

confidence: 99%

“…Understanding relativity requires one to accept that there is less that is absolute than was once believed, and to accept a model of time and space that is strange and unfamiliar (Mermin, 2005). As such, modifying one's everyday understanding of mechanics to develop accurate constructs of the theory of relativity is extraordinarily difficult (Scherr, 2001;Scherr, Shaffer & Vokos, 2001, 2002. While special relativity is often featured in introductory physics courses, Scherr (2001) indicates that many students fail to develop fundamental concepts in the topic, even after advanced instruction.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Developing a virtual physics world

Wegener

McIntyre

McGrath

et al. 2012

AJET

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In this article, the successful implementation of a development cycle for a physics teaching package based on game-like virtual reality software is reported. The cycle involved several iterations of evaluating students' use of the package followed by instructional and software development. The evaluation used a variety of techniques, including ethnographic observation, surveys, student focus groups and conventional assessment. The teaching package included a laboratory manual, instructional support materials and the Real Time Relativity software that simulates a world obeying special relativistic physics. Although the iterative development cycle was time consuming and costly, it gave rise to substantial improvements in the software user interface and in the students' learning experience.

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Student understanding of time in special relativity: Simultaneity and reference frames

Cited by 73 publications

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Tempo relativístico no início do Ensino Médio

Tempo relativístico no início do Ensino Médio

Deformações geométricas e velocidade superluminal aparentes em objetos em movimento relativístico

Developing a virtual physics world

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