高一“相對論”教學初探

摘 要：高中學生對物理是懷有濃厚的興趣的，但高中物理較之初中物理難度上提高了許多，學生不易接受，容易喪失對物理的興趣。本文從課堂實際教學出發，結合課堂教學實效性的實踐依據，以相對論知識的思想理論發展為主線闡述了相對論章節的教學，以提高課堂教學的效率。

關鍵詞：高中物理；相對論教學； 教學實效性

高一同學普遍對“相對論”懷有敬畏之情，其中“畏”往往大于“敬”，究其原因，大部分同學都覺得這部分內容太難，和生活脫離的太遠。雖然也有很多同學對這部分知識興趣很高，但知識太難，導致他們怕學；與生活脫離太遠，讓他們覺得學了無用。因此，這部分內容的教學難度相當大。

課前曾讓學生自行閱讀該章節，上課時讓學生談閱讀后的體會，幾乎所有的同學閱讀教材后沒有任何的體會，這非常讓人驚訝。對高一學生而言，“相對論”這部分內容的學習，應該是他們文理分科前的一次科學普及教育，但從學生自學后的表現來看，教材對內容的處理上顯然不夠“科普”，偏向于理論和結論的講述了。

在《物理課程標準》中，對“相對論與量子初步”這一部分內容的教學要求是：讓學生初步了解經典時空觀和相對論時空觀，知道相對論對人類認識世界的影響。按照山東科技出版社的普通高中課程標準實驗教科書的安排，“相對論”這部分內容的教學邏輯是：先提出問題，當物體以接近光速運動時，我們觀察到的現象和規律是否會發生變化？以往的結論都是在低速宏觀的條件下得出的，通過設問引發學生對于高速運動物體應滿足的規律的想象，但大部分同學缺少相關知識的了解，高速運動的情景無從想像；再從經典時空觀運動合成原理出發，介紹驗證以太存在的關鍵實驗——邁克爾遜—莫雷實驗；再提出愛因斯坦假設的兩個基本原理，說明相對論正是基于這兩條基本原理建立起來的，由于這里對實驗的介紹不可能深入，相關知識學生要到高二才能接觸到，因此，學生看完這部分內容后大部分還是不知所云；教材最后便是關于“時間延緩效應”、“長度收縮效應”、“質速關系”、“質能關系”甚至“時空彎曲”的介紹說明，還指出了相對論時空觀與經典時空觀的差別，但因為之前內容學生不能理解，導致了這些結果教育作用的弱化。

從純粹結構上講，先提出問題：當物體以接近光速運動時，物理規律是否會發生變化？再展示經典理論的局限，無法解決以太風不存在的事實，然后提出相對論，圓滿解決上述問題，可謂邏輯嚴密；從內容上講，相對論產生的前提，相對論得出的結果，相對論對原有時空觀的顛覆，課本都有一定的介紹，內容也完整，重點突出。看來這部分內容無可厚非。但如果按照課本所講述的來上課，課程標準中的要求根本不能達到，不但不能讓學生對“相對論”知識有所了解，還觸發學生的畏難情緒，喪失了對物理學科的興趣。

筆者認為，“相對論”知識的講述，應該是作為高一學生文理分班前科學思想普及教育的載體，教學應側重于相對論得出過程中的思想進化，讓學生從相對論的得出過程中體會到理論形成歷程的艱難，而不是相對論內容的本身。教材給我們的只是素材，并非上課的藍本，因此，在課堂教學中，不能局限于課本所講述的內容，對于高一學生，“相對論”的得出過程比相對論的結果更重要。以下是筆者對“相對論”教學所做的一次嘗試，試圖從歷史發展的角度來闡述相對論，讓學生去認識相對論，進一步理解相對論。

1.提出問題：高速運動中奇怪的現象

2.大膽猜想：以太是什么？

利用這個理論能很好的解釋光速不符合速度合成的法則，但什么是以太呢？若宇宙中真充滿以太，地球相當于在以太中穿行的“船”，因此在地球上應能探測到“以太風”，邁克爾孫和莫雷精心設計了實驗以檢測沿“以太風”，雖然邁克爾孫和莫雷兩人的實驗精度已經非常高，但仍沒有探測到“以太風”，即不能測出地球在以太中的絕對速度v，邁克爾孫—莫雷實驗是物理史上著名的“失敗”的實驗，這個實驗雖然“失敗”了，但給當時科學家的啟示是巨大的：難道以太不存在嗎？如果不存在，那如何解決光速的合成問題？如果存在，那又如何解釋邁克爾孫—莫雷實驗零結果的事實？基于此，很多物理學家提出了自己的見解，其中彭伽勒的觀點很接近現代的相對論，在1895年彭伽勒就對用長度收縮假說解釋以太漂移的零結果表示不同看法。他提出了相對性原理的概念，認為物理學的基本規律應該不隨坐標系變化。他的批評促使洛侖茲提出時空變換的方程式。1904年彭伽勒正式表述了相對性原理。這與愛因斯坦對同時性的定義相當接近，但彭伽勒未考慮到同時性的相對性問題，沒有對時間的絕對性問題提出異議。

而愛因斯坦以同時的相對性作為突破口，建立了全新的時間和空間體系。提出狹義相對論的兩條基本原理。其一：相對性原理（principle of relativity），即一切物理規律在所有慣性系中具有相同的形式；其二：光速不變原理（principle of constancy of lightspeed），即在所有的慣性系中，光在真空中的傳播速率具有相同的值。而相對論的這兩條基本原理經實驗證明是正確的，即相對論的基礎是沒有問題的。

從上述材料可見，相對論理論的提出，是一批科學家集體智慧的結晶，是他們在發現問題后，不斷假設、實驗、修正中逐漸形成的。

3.總結反思：牛頓和愛因斯坦

從光速不變原理出發，例1和例2的問題已經能夠圓滿解決。但我們不禁要問：在經典理論中無法解決的問題，在相對論中卻順理成章，相對論和經典理論到底有什么不同？

在經典理論中，我們認為時間是絕對均勻流逝的；而在相對論中，認為光速是不變的。從光速不變原理出發，我們能得到哪些異于“常識”的結論？后面教師介紹同時的相對性，繼而得出尺縮效應，讓學生對相對論有初步的認識。

總結：舊的變換（伽利略變換）似乎是顯然的，我們經常看到的現象都符合這舊的變換；而新的變換（洛倫茲變換）看來是奇特的，我們怎么知道哪個變換是正確的呢？要弄清這點，應該像愛因斯坦所做的那樣，必須對我們關于時間和空間的觀念進行更新。舊的變換（伽利略變換）是建立在絕對時間和絕對空間的基礎上的，而相對論基于光速不變原理，摒棄了絕對時間和空間的概念，發展出同時相對性。同時告訴學生，相對論應用在低速情況下時，所得結果即為我們熟悉的經典理論，從中也告訴我們，相對論是更先進的理論。因此我們也可以自問：牛頓提出的絕對空間和絕對均勻流逝的時間是正確的嗎？

這個問題的提出，主要是讓學生理解相對論與經典時空觀的異同，對相對論所得的結論有初步的認識，同時了解愛因斯坦的思想發展，從課后學生反應看，效果很好。雖然還是有不少學生對相對論持有疑惑，但有了思想上的突破口（時空關系），隨著知識的積累，相信會有更多的同學對相對論會感到由衷的敬服。

4.探索應用：相對論在高速領域的一些應用介紹

相對論作為一個偉大的理論，面對高一的學生，其教學難度無疑是相當大的，但從一條線索出發，讓學生經歷科學家們跌宕起伏的思想歷程、體會科學家們紛繁復雜的奇思妙想，從中讓學生對一個理論的得出過程有比較具體的印象，能激發學生學習的熱情，激發學生對科學的興趣，這節課應該就已經成功了，就是一節有效的教學。通過課堂，讓學生體會科學思想的過程，這就是物理教育工作者最大的享受。

參考文獻：

[1]趙凱華，羅蔚因著.力學（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2008.