大學(xué)物理狹義相對(duì)論時(shí)空觀的教學(xué)討論

潘學(xué)琴

(裝甲兵工程學(xué)院基礎(chǔ)部 北京 100072)

由于經(jīng)典時(shí)空觀根深蒂固地滯留于腦際中，狹義相對(duì)論時(shí)空觀是學(xué)生難以理解的內(nèi)容．在“大學(xué)物理”課程中，關(guān)于狹義相對(duì)論時(shí)空觀的討論，不同的教材有不同的思路，總體來(lái)看有兩種方法，且各有優(yōu)勢(shì)與不足．本文以作者多年的教學(xué)實(shí)踐為基礎(chǔ)，討論在教學(xué)中應(yīng)用這兩種方法的體會(huì)，總結(jié)自己對(duì)這一內(nèi)容的教學(xué)思路．

在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)相對(duì)論的教學(xué)，學(xué)生一頭霧水，不知所云．原因有很多，筆者認(rèn)為其中一個(gè)最基本、最關(guān)鍵的問(wèn)題是沒(méi)有真正理解光速不變?cè)碓斐傻臅r(shí)空觀念的不同．

1 由洛倫茲變換難以直觀體現(xiàn)基本假設(shè)與狹義相對(duì)論時(shí)空觀的關(guān)系

1904年，為了使麥克斯韋方程組在坐標(biāo)變換下保持形式不變，在以太假說(shuō)下，洛倫茲推導(dǎo)出新的坐標(biāo)變換即洛倫茲變換.電磁場(chǎng)方程對(duì)于洛倫茲變換具有協(xié)變性，但對(duì)時(shí)間公式的物理意義沒(méi)有足夠認(rèn)識(shí),因此沒(méi)有提出時(shí)空變換；愛(ài)因斯坦摒棄以太假說(shuō)，在兩個(gè)基本假設(shè)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出某個(gè)事件在運(yùn)動(dòng)慣性系與靜止慣性系之間的時(shí)空坐標(biāo)變換式[1]．

在非物理專(zhuān)業(yè)的大學(xué)物理教學(xué)中，洛倫茲變換一般是直接給出的，個(gè)別教材作為小字部分的介紹，學(xué)生也不能很好理解．由于教學(xué)學(xué)時(shí)有限，利用洛倫茲變換變換直接給出狹義相對(duì)論時(shí)空觀比較容易講授，好像就是做了初等的數(shù)學(xué)運(yùn)算,但學(xué)生難以理解這種時(shí)空觀是怎樣造成的．

2 愛(ài)因斯坦思想實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)基本原理的作用

愛(ài)因斯坦的思想實(shí)驗(yàn)：火車(chē)相對(duì)地面以u(píng)高速行駛,設(shè)地面為K系(慣性系)，火車(chē)為K′系 ．

2.1 同時(shí)的相對(duì)性[2]

(1)K′系中同時(shí)發(fā)生,K系中測(cè)量，兩事件不再同時(shí)發(fā)生

圖1

在K中測(cè)量， 閃光自M′傳向(左)A′，自M′傳向(右)B′的速率仍然均為c；但是在光傳播過(guò)程中，A′隨車(chē)迎向閃光運(yùn)動(dòng)，B′卻順著閃光光路運(yùn)動(dòng).因此 閃光先到達(dá)A′，而后到達(dá)B′，即事件1先發(fā)生，有t1

(2)K系中測(cè)量同時(shí)發(fā)生，K′系中兩事件不再同時(shí)發(fā)生

K系中兩固定點(diǎn)A，B，其中點(diǎn)M處發(fā)閃光，如圖1(b)所示.事件1：閃光(自M向左)到達(dá)A；事件2：閃光(自M向右)到達(dá)B，類(lèi)似分析可知:

K系中測(cè)量：兩事件同時(shí)發(fā)生，即t1=t2.

在討論中要提醒學(xué)生注意的是由于在兩個(gè)慣性系中光速是不變的，所以同時(shí)性具有相對(duì)性．

2.2 時(shí)間膨脹(運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢)[2]

如圖2所示思想實(shí)驗(yàn)中，由于在兩個(gè)慣性系中信號(hào)傳播的速度都是c，所以K中是膨脹時(shí)．進(jìn)一步分析[2]得出原時(shí)和兩地時(shí)的關(guān)系為

(1)

圖2

2.3 長(zhǎng)度測(cè)量的相對(duì)性

如圖3所示[3～5]，設(shè)列車(chē)中有一長(zhǎng)度為l0的直尺,直尺的左端固定一光源,右端放置一反射鏡．甲相對(duì)直尺靜止,測(cè)得光源發(fā)出的光經(jīng)反射鏡反射回光源的時(shí)間間隔

(2)

在甲看來(lái)光速為c．

圖3

由于光速不變?cè)恚矣^測(cè)到整個(gè)事件所用的時(shí)間間隔為

Δt′=Δt1+Δt2=

(3)

結(jié)合式(1)，有

在相對(duì)靜止的參照系中觀察另一運(yùn)動(dòng)參照系中的物體時(shí),在其運(yùn)動(dòng)方向上的尺度將要減少,但從該運(yùn)動(dòng)參照系觀察,該物體的尺度不會(huì)改變[3～5].

3 教學(xué)討論與實(shí)踐

3.1 兩種方法的比較

(1)洛倫茲變換在教學(xué)中應(yīng)用的討論

洛倫茲變換可以在光速不變?cè)砗蛺?ài)因斯坦相對(duì)性原理基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來(lái)，也就是說(shuō)相對(duì)論的兩個(gè)基本原理已經(jīng)反映在了這種時(shí)空變換關(guān)系中.因此，由洛倫茲變換討論長(zhǎng)度測(cè)量和時(shí)間測(cè)量理論性更強(qiáng)，在理論上更加嚴(yán)密.

教學(xué)中主要利用洛倫茲變換討論同一事件在不同慣性系的時(shí)空，以及不同事件在不同慣性系中的時(shí)空比較，只要將每個(gè)事件代入公式的相應(yīng)位置就能得出結(jié)果，因此直接用洛倫茲變換進(jìn)行數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)解決問(wèn)題就非常簡(jiǎn)單．

然而正是由于兩個(gè)基本原理已經(jīng)反映在時(shí)空變換中，以后只要代公式就可以反映時(shí)空觀，不再體會(huì)基本原理是如何在具體的時(shí)空轉(zhuǎn)換中發(fā)揮作用的，這對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)會(huì)產(chǎn)生很大的困惑.他們不明白相對(duì)論到底在干什么，沒(méi)有體會(huì)到光速不變?cè)韺?duì)狹義相對(duì)論時(shí)空觀起到了什么作用．

(2)愛(ài)因斯坦思想實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的討論

對(duì)愛(ài)因斯坦思想實(shí)驗(yàn)的討論更加注重實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生體會(huì)光速不變?cè)韺?duì)時(shí)空測(cè)量的影響，也體現(xiàn)物理學(xué)是實(shí)驗(yàn)的科學(xué)這一特性，更加突出物理思想．

這兩種方法各有優(yōu)點(diǎn)，在教學(xué)上可以取長(zhǎng)補(bǔ)短．

3.2 教學(xué)實(shí)踐

一般情況下，工科大學(xué)物理教材先給出洛倫茲變換，而洛倫茲變換一般不作推導(dǎo)或只在小字部分出現(xiàn)，所以學(xué)生可能沒(méi)有體會(huì)洛倫茲變換與相對(duì)論基本原理有什么關(guān)系，教學(xué)上若只從洛倫茲變換討論時(shí)空測(cè)量，學(xué)生不能體會(huì)光速不變?cè)韺?duì)測(cè)量的影響，學(xué)員會(huì)感到匪夷所思.

少數(shù)教材應(yīng)用愛(ài)因斯坦思想實(shí)驗(yàn)討論時(shí)空測(cè)量在前，而后給出洛倫茲變換，這樣學(xué)員對(duì)光速不變?cè)砗蜁r(shí)空測(cè)量有實(shí)際的感受．但用愛(ài)因斯坦理想實(shí)驗(yàn)討論時(shí)空測(cè)量，要用較多的課內(nèi)時(shí)間．

在教學(xué)上具體采用哪種方法授課不僅取決于授課教師的授課計(jì)劃，也取決于授課思路和習(xí)慣．為了能使學(xué)生對(duì)狹義相對(duì)論的本質(zhì)體會(huì)更深刻，又可以在解決問(wèn)題時(shí)使用簡(jiǎn)單快捷的數(shù)學(xué)方法.如果把兩種方法結(jié)合起來(lái)學(xué)習(xí)，不僅可以使學(xué)員的邏輯思維能力得到提高，而且有助于學(xué)員建立相對(duì)論時(shí)空觀，教學(xué)效果會(huì)更好．

經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐，收集了學(xué)生的反饋，不同的教學(xué)方法會(huì)有不同的教學(xué)效果．為了在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)為學(xué)生提供有效的幫助，先由理想實(shí)驗(yàn)討論“同時(shí)的相對(duì)性”、“長(zhǎng)度收縮”、“時(shí)間延遲”.其中“同時(shí)的相對(duì)性”是時(shí)空觀中最重要的一個(gè)概念，愛(ài)因斯坦正是從這樣的觀念出發(fā)創(chuàng)立了相對(duì)論，他對(duì)相對(duì)論的論述是從同時(shí)性概念開(kāi)始的.他寫(xiě)到：“如果我們要描述一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，就以時(shí)間的函數(shù)來(lái)給出它的坐標(biāo)值．現(xiàn)在我們必須記住，這樣的數(shù)學(xué)描述只有在十分清楚地懂得‘時(shí)間’在這里指的是什么以后才會(huì)有物理意義．應(yīng)當(dāng)考慮到，凡是時(shí)間在里面起作用的我們的一切判斷，都是關(guān)于同時(shí)的事件的判斷．比如我們說(shuō)：那列火車(chē)7點(diǎn)鐘到達(dá)這里，這就是說(shuō)，我的表指到7與火車(chē)到達(dá)是同時(shí)事件．”通過(guò)實(shí)驗(yàn)演示學(xué)生切實(shí)體會(huì)光速不變?cè)硎窃鯓記Q定同時(shí)的相對(duì)性的．實(shí)際上測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體長(zhǎng)度時(shí)，可以同時(shí)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的首尾兩端的坐標(biāo)而得到長(zhǎng)度[2].這里又涉及到時(shí)間的同時(shí)性概念，因此運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度收縮也是光速不變?cè)淼慕Y(jié)果．

接著用洛倫茲變換進(jìn)一步作出討論，以發(fā)揮洛倫茲變換解決問(wèn)題時(shí)簡(jiǎn)便、快捷的優(yōu)勢(shì)．由于在前面的教學(xué)中學(xué)生已經(jīng)接受了狹義相對(duì)論的時(shí)空觀，學(xué)生很情愿接受洛倫茲變換進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算．

4 結(jié)束語(yǔ)

洛倫茲變換的方法從邏輯上理解很?chē)?yán)密、解決問(wèn)題簡(jiǎn)便快捷，但對(duì)本質(zhì)理解不夠；通過(guò)實(shí)驗(yàn)將光速不變?cè)砼c時(shí)空觀直接聯(lián)系起來(lái)，物理過(guò)程明了，數(shù)學(xué)推導(dǎo)簡(jiǎn)單，使學(xué)生深刻理解狹義相對(duì)論的本質(zhì)，啟迪學(xué)生的思維，將兩者結(jié)合起來(lái)對(duì)學(xué)習(xí)有益．

參考文獻(xiàn)

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