對人教版高中物理選修3-4教材中一幅插圖的芻議

黃衛良

(張家港市樂余高級中學,江蘇張家港 215621)

在人教版普通高中課程標準實驗教科書《物理》3-4教材第97頁中有一幅插圖如圖1所示,該圖片選自遼寧教育出版社《人物攝影》2003年4月第 1版.教材編寫組把本插圖放在第15章“相對論簡介”的首頁,并配文“高速列車上發生了什么事情?小姑娘為什么感到驚奇?”.

圖1

教材編寫組選用本圖片的目的是想用高速運動物體發生的“動尺變短”這一相對論效應來激發學生的興趣而引入新課教學.但筆者認為教材“相對論簡介”中選用這個圖片是不妥當的,具體理由如下:

疑問1:高速列車車窗的橫向長度的變化肉眼能不能辨別?

相對論中“長度的相對性”中給出了觀察者相對桿運動而觀察到沿運動方向桿長度的公式為

我們不妨代入數據來計算一下,取列車一個車窗靜止橫向長度 l0=1 m、速度 v=500 km/h(實際高速列車往往還沒有這么快!),計算得到地面觀察者看到的長度l=0.999 998 6 m,相對原長縮短了一千萬分之十四!如此細微的長度變化,小姑娘能看出來嗎?實際上本教材在103頁第 4行中也承認“車輛、飛機等常見運動物體的速度 v遠遠小于光速c………所以日常生活中觀察不到長度的相對性”.

疑問2:對快速移動的多個車窗和乘客,人的肉眼能否分辨出?

從該插圖中我們可以隱隱約約看見高速列車的車窗和里面的乘客,但該圖片實際不是小姑娘看見的,而是照相機用極短的快門拍攝的.實際的小姑娘去看高速行駛中的列車,只能看到一個橫向的拖影,就好比我們普通的手機攝像頭去拍快速移動的物體一樣.

人眼對快速移動的物體分辨本領是很差的,以電視機顯像管為例,只要每秒顯示的幀數超過30幀,人眼由于“視覺殘留”就不能分辨出到底有幾個靜止畫面了而感覺是人物在動了.而對高速運動的列車(還是取速度500 km/h,約139 m/s,并取每米有一個車窗),每秒經過地面觀察者的車窗數目約為139個,小姑娘的眼睛根本來不及反應而只能看到模糊的拖影,當然也不能看到每一個車窗的橫向長度.

疑問3:圖中小姑娘真的是看到相對論效應而驚奇嗎?

在“相對論簡介”新課教學首頁插入本圖并配文“高速列車上到底發生了什么事情,小姑娘為什么感到驚奇?”,會讓學生在學習相對論知識后產生這樣一個結論:小姑娘就是看到窗戶變窄和乘客變細這樣的相對論效應而驚奇.但實際拍攝時小姑娘真的在嘗試觀察相對論效應嗎?

本插圖來源于《人物攝影》雜志 2003年4月第1版,該雜志不是物理研究類期刊,而是面向大眾攝影的雜志.該攝影愛好者拍攝本照片取景的焦點是圖中的小姑娘矗立凝望高速列車的專注神情,作者的拍攝意圖一定是嘗試拍攝高速列車的相對論效應嗎?如果圖片作者不是為了研究相對論而拍攝,圖中小姑娘也不是因為看到相對論效應(事實上也看不到)而驚奇,那么選用本圖片并配文“高速列車上發生了什么事情?小姑娘為什么感到驚奇?”,這有悖于物理學嚴謹求實的學科特點.

綜上所述,筆者認為教材中選用本圖片是值得商榷的.