在高中教學中滲透相對論基本知識的探討

黃慧

【摘要】長期以來，高中物理講到19世紀就沒了下文，但隨著我國新世紀基礎教育課程改革的逐步推進，將作為現代物理學兩大支柱之一的相對論的相關知識、新觀念和新方法引入高中物理教學，是新時代高中物理新課程發展的必然趨勢，更是學生發展的需要。基于上述立足點，從物理教學的角度，在教學理論的指導下，本文結合新課標的要求和新教材的內容，運用教育理論和學生心理特點，聯系自身的教學實踐，有針對性地提出相對論基本知識滲透于高中物理教學原則，并具體整理出滲透相對論基本知識的教學策略。

【關鍵詞】高中物理物理教學相對論教學策略

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）07-0171-02 對高中學生而言，要理解相對性原理并不難，重要的是，應闡明狹義相對性原理與伽利略相對性原理的不同以及它的意義，并借此機會對學生進行情感、態度、價值觀方面的教育，達成新課標的三維目標。

狹義相對性原理表述如下：“在不同的慣性參考系中，一切物理定律都是相同的。” 根據相對性原理，對任何物體的運動狀態的描述都是相對的，學生從初中開始就知道速度是一個相對的概念。例如，火車以恒定速度從站臺駛出，如果是一束光從車尾射向車頭，學生容易想到在車上的人看到光速c，而站臺上的人都觀測到光的速度是c+v。這個現象是否說明了光速不變原理同運動的相對性原理矛盾呢？

1881年，麥克耳孫做了關于上述問題的實驗，探討光沿不同方向傳播，其速度有何變化。

麥克耳孫實驗的原理可以用兩條船的競賽來比喻，兩船速度為c，河水以恒定速度v流動。A船沿與水流平行的路線行駛一個來回，B船則由河的此岸駛到彼岸，然后返回。每條船行駛的距離是河寬的二倍，按理B船將獲勝。但在麥克耳孫實驗中，c是光速，v是“以太”相對于地球的速度，比賽結果卻截然不同：兩條“光子船”總是準確地同時到達，同我們的推想恰恰相反。麥克耳孫此后在不同條件下又做了多次實驗，發現每次結果都一樣：光向任何方向傳播，其速度都是不變的。

可見，造成困境的根本原因就在于光速不變原理與牛頓力學中的速度加法定理相矛盾。這種矛盾，只是由于我們錯誤的推想造成的，而不是真正的悖論。

從光的悖論引入，再創建情景讓學生討論，學生在分析推理的過程中親自體會狹義相對論“先破后立”的建立過程，感受思辨的魅力，培養思維能力；通過實驗事實的列舉，讓學生在了解科學發展歷程的同時，樹立尊重客觀事實的科學精神，把知識目標和過程與方法目標、情感態度價值觀目標有機地統一起來。

時間和空間的相對性（以“感性材料激發抽象思維”的形式，實現滲透相對論基本知識）

同時的相對性

“同時的相對性”描述的世界跟日常經驗有很大的差別，人教版的課本僅以一幅簡單圖片說明問題，學生不容易理解，故這里以課本的思路為藍本，以連續變化的圖片更清晰地說明問題，并以此展開更多的討論，使不同層次的學生的思維能力都能得到鍛煉。

對能力強的學生，還可以借此提出更進一步的問題以鍛煉他們融會貫通和思辨的能力，例如：“如何才能使時刻發生逆轉呢？”“若時間的前后關系可以逆轉，那么事物的因果關系會不會顛倒？”等。這些問題不一定要在課堂上進行討論或給出答案，而是以此為契機，引導學生在課后進行資料搜集和相關文獻閱讀，達到激起學生學習興趣，引導學生自主學習的目的，同時也為學生開一扇更寬闊的“窗”去見識相對論的世界。

長度的相對性

類似時間的相對性，在講解長度相對性時，也可以用連續的圖片或者flash動畫等代替課本上單一的圖片，使學生能對整個測量過程更加清晰，更容易理解運動物體長度縮短的原因：由于在不同的慣性系對“同時”的觀測結果不同的。既然火車和站臺上的雙方對物體兩端位置觀測的時刻不同，得出的長度自然不同。最后再以圖片（見圖1）展示長度縮短的現象，讓學生在給予感性認識的圖片中更好地體會理論的內容。

時間膨脹

從時間和空間的相對性到時間間隔的相對性的敘述，課本都是直接給出公式，用一句“通過嚴格的數學推導可以得到”草草帶過，給人突兀的感覺。事實上，相關公式的推導也不一定要用很高深的數學工具，只需中學數學就可以了，下面將把相對論時間公式的推導和時間膨脹的問題結合在一起討論，以此為例說明能為學生理解的相對論中相關公式的推導或處理辦法。

準備兩個結構完全相同的光時鐘，一個安裝在相對銀河車站靜止的飛船上，一個安放在高速行駛的飛船中。按照相對性原理，無論在相對站臺靜止的飛船中的A或運動的飛船中的B，他們各自觀察各自的時鐘，光都向正上方前進，經反射后向正下方返回，兩個時鐘的走法是完全相同的。如果從A的角度比較A和B所在飛船的兩個光時鐘，情況就完全不同了。在A看來，B所在飛船的時鐘的下方的鏡子接收到光再反射出來，由于B所在飛船向右運動，反射光斜著朝右上方前進。這束光到達上面鏡子必須經過比A所在飛船中的光時鐘更長的距離，因此這束光到達上方鏡子要遲一點，根據光速不變原理，A看到的光，不論是方向向上還是斜向上光速都為c。光射到上方鏡子后再返回時情況也一樣。于是A觀察到：B所在的運動飛船上的時鐘比自己所在的靜止飛船上的時鐘慢，即運動著的時鐘變慢。

下面利用勾股定理簡要推導一下時間公式。設光時鐘兩個鏡面之間的距離為L。從Ａ的角度觀察Ｂ的時鐘，假設Ｂ的時鐘走一個計時周期的時間為△t，那么這段時間內光走過的距離為c△t。在這段相同的時間內，時鐘運動的水平距離為v△t，其中v為Ｂ所在飛船相對站臺的速度。根據勾股定理有

L2+■■=■■⑴

在Ｂ看來，她所在飛船的時鐘是靜止的，一個計時周期內，光走過的距離為2L，所以Ｂ觀察到的時間間隔是△t0=■，故

L=■ ⑵

由⑴⑵兩式可得△t=■△t0 ⑶

以上公式完全可讓學生自行推導，增加學生學習信心，使學生對運動時鐘變慢的結論理解更深，探究興趣更濃。類似地，還可以引導學生利用簡單的數學工具推導出相對論的長度公式，更好地理解“運動的尺子縮短”的原因。及至后面關于相對論的速度公式和質量公式，都是同樣以相對性原理和光速不變原理為基礎理論引導學生理解和分析，對能力強的學生，還可以教導他們利用數學工具推導出相關公式，這里就不再重復敘述了。

廣義相對論簡介（以“思想實驗和理論探究”的形式，實現滲透相對論基本知識）

教學時應重點介紹廣義相對論的主要內容，而不需展開計算和證明。由于這部分內容離學生生活比較遠，比較晦澀難懂，因此應盡量采用多媒體手段，化抽象為具體，建立物理模型。

等效原理

愛因斯坦在演講中曾這樣說：“我在伯爾尼的專利局坐在一張椅子上，這時一個想法突然涌上心頭。我突然想到：‘假如某一個人自由下落，這個人肯定感覺不到自己的重量。這個簡單的想法給了我很深的印象。”從愛因斯坦的原話創設物理情景，學生自然地跟著這個想法思考，循著愛因斯坦的邏輯理解廣義相對論，學習效果當然比死記硬背強得多。

繼續考察自由落體現象。當電梯自由下落時，置于乘坐的人眼前的蘋果由于與人完全相同地下落，所以看起來是靜止的，相當于重力不存在。如果在宇宙空間中有一靜止的飛船，那么里面的人看到眼前的蘋果也一樣是靜止的。類似地，人乘坐在沒有窗戶、看不見外面的電梯中，電梯的纜繩由火箭牽引。這時握在電梯中的人手中的蘋果一旦人松手就會落到地上。在此情景中，可以讓學生討論“如果你是電梯中的人，你覺得外面發生了什么事呢？”第一種可能是電梯在地球表面上，由于重力作用，蘋果受重力落地。第二種可能是飛船在做勻加速運動。究竟是哪一種情況，里面的人根本無法確定。也就是說，一個均勻的引力場與一個做勻加速運動的參考系等價。通過這樣的實例和圖片的展示，學生理解等效原理就不那么費勁了。

彎曲的光線

在引力可以忽略的空間中光沿直線傳播。現在地表處有一電梯朝正下方下落，在電梯的墻上開一個小窗，讓光線射入，由于電梯自由下落，處于完全失重狀態，在電梯里的人看來，光線沿直線傳播。但在地表的人看來，情況就不一樣了。由于光速并非無窮大，所以光線由小窗射入到投射到對面墻壁也要費時間的。在這段時間內，電梯在下落，因此光線不再沿直線傳播，而是向下彎曲。也就是說，在引力場的作用下，光線會彎曲。

這樣的現象似乎匪夷所思，卻早已為實驗驗證。1919年日全食期間，兩支英國考察隊分赴幾內亞灣和巴西進行觀測，發現由于太陽引力的作用，可以看到太陽后面的恒星，結果完全證實了廣義相對論關于光線彎曲的結論 。

通過圖片或視頻把生活中難得一見的奇妙現象展現在學生眼前，不但能使學生更好地了解廣義相對論的結論，更讓學生學會欣賞物理學的美麗，體會愛因斯坦思想的光輝，達到知識與技能、過程與方法、情感態度價值觀三維教學目標。

研究成果與問題

主要成果

現代物理學日新月異的發展，促進了社會生產力水平和人類生活水平的不斷提高，藉新世紀基礎教育課程改革，現代物理學知識，尤其是相對論基本知識，滲透于高中物理教學是必然的。因此，在高中階段滲透相對論基本知識是一個不得不考慮的問題。這一思想自第一次世界性的科學課程改革已開始體現，但到目前為止，有關相對論基本知識滲透于高中物理教學的具體教學策略問題卻研究較少。本文在教學理論的指導下，結合新課標的要求和新教材的內容，運用教育理論和學生心理特點，聯系自身的教學實踐，具體整理出相對論基本知識的教學策略專題，在這個專題下面的3個板塊中提出多項內容具體，操作性和實用性強，經一定實踐檢驗教學效果較好的教學策略。在物理學科的研究和教育中，實驗占有非常重要的地位，一個新實驗的出現可能就要迫使物理理論做出相應的修正和變革，引起思想的進化和革命，例如，愛因斯坦的思想實驗引出了相對論等。而教材中盡管提到實驗的重要性，卻只是作蜻蜓點水般的介紹。因此本文的教學策略中著重探討了實驗（包括實際實驗與思想實驗）的講授方法，并適當補充了一些相關實驗，以更好地達到教學目標。

存在問題及今后研究方向

由于本人研究所涉范圍的限制，也囿于本人學識及撰寫論文的時間限制，對高中階段滲透相對論基本知識的教學探討還有待不斷發展，有些問題在本文還未能得到深入闡述，也有待進一步的研究，主要包括：

第一，高中物理教學滲透相對論基本知識的過程中的個性化問題。

第二，高中階段滲透相對論基本知識的過程中教學媒體的選擇和使用問題。

第三，在教學策略和教學方法方面，主要集中闡述了課堂教學的相關內容，而缺少其他方式滲透的探討。

第四，在高中物理教學中滲透相對論基本知識對教師專業發展的影響及對策問題。

本論文肯定還有許多其他方面的不足和缺陷，但今后將不斷地研究，讓綠洲中的這點紅開得更鮮艷和燦爛，不斷拓寬學生的視野，培養學生的能力，促進學生健康全面的發展。

參考文獻：

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