大學(xué)物理相對(duì)論部分教學(xué)中的幾點(diǎn)探討

唐 煌 朱小芹

（江蘇理工學(xué)院數(shù)理學(xué)院，江蘇 常州 213001）

工科大學(xué)物理的教學(xué)中，狹義相對(duì)論部分學(xué)時(shí)很少，而其內(nèi)容又相對(duì)深?yuàn)W，在講授這部分內(nèi)容時(shí)，很多學(xué)生一知半解，他們只是形象地對(duì)是否有時(shí)空隧道、時(shí)間能否倒流等科普甚至科幻感興趣，卻不理解正確的理論，更不理解理論所要求的前提條件.同時(shí)，對(duì)于一些難以理解的知識(shí)點(diǎn)，在部分參考書(shū)中，有關(guān)內(nèi)容敘述得不太嚴(yán)謹(jǐn)，這樣，初學(xué)者要真正掌握這些概念比較困難.本文選取了狹義相對(duì)論部分的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行討論，通過(guò)定性及定量分析，究其根本原因，尋找內(nèi)在的物理本質(zhì).

1 狹義相對(duì)論的時(shí)空觀

由式（1）可知，在S 系中，不同地點(diǎn)的兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生，即t1＝t2，Δt＝0，Δx≠0，則在S′系中，Δt′≠0，兩個(gè)事件不可能同時(shí)發(fā)生.

這里錯(cuò)誤的關(guān)鍵還是學(xué)生忽視了長(zhǎng)度收縮的前提條件：同時(shí)測(cè)量運(yùn)動(dòng)細(xì)桿兩端的坐標(biāo).桿的原長(zhǎng)或固有長(zhǎng)度是桿靜止時(shí)測(cè)得的長(zhǎng)度，測(cè)量時(shí)不必同時(shí)記錄桿的兩端坐標(biāo)，由于桿是靜止的，其兩端坐標(biāo)值不變，同時(shí)記錄或不同時(shí)記錄其結(jié)果一樣，當(dāng)桿運(yùn)動(dòng)時(shí)，要求同時(shí)記錄其兩端的坐標(biāo)，而用此兩端坐標(biāo)差作為桿的運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度.

可見(jiàn)，在相對(duì)論時(shí)空觀的學(xué)習(xí)中，關(guān)鍵還是正確利用洛倫茲變換，特別要注意它們的前提條件.大多數(shù)教材都是先給出洛倫茲變換，再通過(guò)洛倫茲變換講解相對(duì)論時(shí)空觀［2，3］，但也有教材先介紹相對(duì)論時(shí)空觀，再講洛倫茲變換［4］，讓學(xué)生先定性了解，再定量學(xué)習(xí)，老師可以讓學(xué)生課后通過(guò)洛倫茲變換再去思考相對(duì)論時(shí)空觀，這樣效果也不錯(cuò).

2 狹義相對(duì)論中的因果關(guān)系

在相對(duì)論教學(xué)中，很多學(xué)生受到科幻小說(shuō)、科幻電影的影響，總是認(rèn)為因果關(guān)系會(huì)發(fā)生顛倒.若A 和B 是S′系中的兩個(gè)事件，A 是原因，B 是結(jié)果（A 先發(fā)生，B 后發(fā)生）.他們認(rèn)為總能找到一個(gè)慣性系S，在S 系中，B 先發(fā)生，A 后發(fā)生，出現(xiàn)因果順序顛倒的現(xiàn)象.其實(shí)這是絕對(duì)不可能的，在相對(duì)論中，因果關(guān)系不會(huì)發(fā)生顛倒.

設(shè)A、B 兩個(gè)事件在S′系的時(shí)空坐標(biāo)分別為（x′A，t′A），（x′B，t′B），S′系相對(duì)S 系以速率u 沿x 軸正向運(yùn)動(dòng)，由洛倫茲變換可知，在S 系中，

則

由式（3）可見(jiàn)，如果x′B＞x′A，則只要t′B＞t′A，必有tB－tA，即在S′系中測(cè)得A 先于B 發(fā)生，在S系中測(cè)也是A 先于B 發(fā)生.

如果x′B＜x′A，則有可能t′B＞t′A，而tB＜tA，也就是在S′系中測(cè)得A 先于B 發(fā)生，有可能在S 系中測(cè)得B 先于A 發(fā)生.但是這種時(shí)序顛倒的情況只能發(fā)生在彼此無(wú)關(guān)的兩事件之間.

3 狹義相對(duì)論中的質(zhì)量

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上幾個(gè)問(wèn)題的討論分析，知道學(xué)習(xí)相對(duì)論時(shí)空觀的關(guān)鍵還是洛倫茲變換，同時(shí)要特別注意其前提條件；了解相對(duì)論不會(huì)改變因果關(guān)系；以及有爭(zhēng)議的動(dòng)質(zhì)量概念.相對(duì)論的學(xué)習(xí)，值得討論的問(wèn)題還有很多，例如著名的“孿生子佯謬”問(wèn)題，光靠狹義相對(duì)論不能很好地解釋，還需要廣義相對(duì)論的知識(shí)才能解釋清楚［10］.更多的問(wèn)題，還需要大家去探討，科學(xué)總是在不斷的思索和懷疑中前進(jìn)的.

［1］過(guò)祥龍，董慎行.基礎(chǔ)物理學(xué)（上冊(cè)）［M］.2版.蘇州：蘇州大學(xué)出版社，2003：139.

［2］程守洙.普通物理學(xué)（1）［M］.5版.北京：高等教育出版社，2002：229－246.

［3］馬文蔚.物理學(xué)（下冊(cè)）［M］.4版.北京：高等教育出版社，2000：186－195.

［4］毛駿健，顧牡.大學(xué)物理學(xué)（下冊(cè)）［M］.北京：高等教育出版社，2009：137－142.

［5］Adler C G.質(zhì)量真的與速度有關(guān)嗎，爸爸？.［J］.吳治隆，譯.大學(xué)物理，1991，10（3）：25－28.

［6］Okun L B.質(zhì)量的概念［J］.馬文麒，譯.大學(xué)物理，1992，11（2）：29－31.

［7］朗道，栗弗席茲.場(chǎng)論.［M］.任朗，袁炳南，譯.北京：高等教育出版社，1959：37－38.

［8］Sandin T R.為相對(duì)論質(zhì)量辯護(hù)［J］.鄧淑琴，譯.大學(xué)物理，1994，13（8）：20－24.

［9］張三慧.也談質(zhì)量的概念［J］.物理與工程，2001，11（6）：5－11.

［10］呂嫣，段家興，圖雅，等.對(duì)雙生子佯謬問(wèn)題的幾種解釋［J］.沈陽(yáng)師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，29（3）：384－386.