淺談引力波在高中物理中的實驗演示

潘小慧

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.19.144

摘 要 將引力波的相關知識，用實驗演示的方式引入課堂，讓學生通過觀察分析，了解和理解引力波的觀點，并對廣義相對論有更多的了解，對當下科學前沿有更直接的認識。

關鍵詞 引力波；時空彎曲；萬有引力；物理；實驗

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）19-0144-02

1 前言

近些年來，電影界不斷推出與太空航天相關的電影，如2014年上映的《地心引力》，電影里的特效讓觀影人真切地感受到宇宙獨特的環境、可能遇到的危險和面對未知的孤獨與無助。將抽象的太空還原到人們眼前，使得觀影者對太空有了更深刻的感知。2015年上映的《星際穿越》中，大膽地在“蟲洞”的理論上加以想象，展現前沿物理將有可能給地球和人類帶來的改變，其中狹義相對論和超立方體等理論的形象展現，也讓人驚嘆宇宙的神奇。

這些關于宇宙的電影，極大地豐富了人們對于宇宙的感知，也增長了對前沿物理的了解和認識。尤其是對于中小學生，他們有著強烈的知識渴求和欲望，通過看這類電影，不但能滿足好奇心，大開眼界，而且能通過查閱資料和聽講座，對相關知識形成科學的認識。可以預測，這樣的電影會越來越多地走進人們的生活，學生也會越來越發現天體物理的神奇。在這種環境下，學生在學習相關的萬有引力知識時，就會不滿足于書本知識，而會對自己在電影和資料中學到的東西進行提問。

引力波是時下非常熱門的話題。2016年2月11日，美國科研人員利用激光干涉探測到了引力波的存在，證實了愛因斯坦廣義相對論的一個預測。這引發了世界的轟動，也激起學生心中的漣漪。不妨嘗試將廣義相對論與萬有引力的知識進行適當結合，引入高中物理實驗教學。

2 實驗設計方案

人教版物理必修2第六章內容為“萬有引力與航天”，其中的幾個知識點可以與引力波聯系。教師可以在學生學習完萬有引力性質即大小之后，大膽引入引力波知識。下面進行具體的說明。

首先，給出愛因斯坦廣義相對論中對引力的解釋：引力是時空彎曲的一種效應。教師可以用實驗演示的方法幫助學生理解。找一個圓環形的支架，上面鋪一塊軟布，象征未扭曲的時空；此時，在軟布上放一個小球，就會在球周圍形成塌陷，代表扭曲的時空，如圖1所示。顯然，質量越大，扭曲程度越大。

此時，若有一個物體從它旁邊經過，則不能直線通過，而是圍著它做圓周運動，或螺旋運動后最終撞上中間的球，如圖2所示。對于這一現象，牛頓解釋為兩個球之間有萬有引力，所以中心的球會將運動的小球吸引過來。然而兩者對比后，可以說萬有引力更像是一種從效果上的解釋，而事實上是并不存在。

這樣形象的演示可以打破學生一直以來的固有思維，使學生腦洞大開，繼而激發其主觀能動性。讓學生設計如何從萬有引力的大小出發，進一步驗證廣義相對論中引力理論。具體來說，設計如下。

由萬有引力公式可知，兩球心間距離r一定時，質量越大，物體間的引力越大。那么，讓學生討論后可得到3個對比實驗。

1）準備兩塊相同的支架和布，將兩個質量相差很多的球（稱為球1）分別放在兩塊布的中間，再選擇另外兩個完全相同的球（稱為球2），給它們初速度，讓其從球1旁經過，保證兩球心間距離r相等，初速度盡量相同。觀察球2運動軌跡的彎曲情況，發現經過質量大的那個球1時，軌跡彎曲更明顯，驗證F∝m1。

2）將每組裝置中兩球互換位置，即球2放在中間，讓球1從球2的旁邊經過，其他條件不變。觀察運動軌跡的彎曲情況，發現質量大的那個球1運動的軌跡彎曲程度大，驗證F∝m2。

3）改變兩組實驗中的r，觀察運動軌跡的變化。發現兩球質量不變時，r越小，軌跡彎曲越不明顯，驗證r越大，F越小。

最后，給出引力波的介紹：在引力的基礎上，愛因斯坦預言了引力波的存在，即有質量的物體加速運動時，它周圍的時空扭曲會以波動的形式傳播出去，就好比水面上不停振蕩的物體，會在周圍形成水波，并向遠處傳播一樣。這樣就完成了引力波與萬有引力簡單結合的一個過程。

3 實驗意義

實驗由學生分組完成，并給出實驗結論。這樣一來，學生邊動手邊動腦，親眼“看到了”愛因斯坦的引力理論，而不是抽象地理解高深的知識，對他們來說是難得的與前沿科學邂逅的機會。當然，還需強調這并不是完成了真正的探究過程，想要驗證廣義相對論的正確性，還要運用數學工具，經多次計算，將理論數據和實驗結果進行對比，得出定量描述引力特征的數學表達式，即萬有引力公式。

經過這一過程，學生也會對公式形成新的認識：公式不再是他們僅僅為了算題和得分的武器，而是自然規律的數學表達，是定量表述真理的手段。由此幫助學生形成更加科學和成熟的知識觀，便于學生大學后的繼續發展。

4 結語

本著新課改的理念，筆者認為，這樣的科學探究實驗課，除了對學生大有裨益外，也打破了之前萬有引力這一章沒有或少有實驗可做的實際情況，將遙遠又“難搞”的天體宇宙拉到學生身邊，使他們對萬有引力的認識不再是懵懂地只能死記硬背。同時解放了學生，讓他們敢于用實踐檢驗科學。相信如果多做這樣的嘗試，讓物理課堂更多地聯系實事，與時俱進，學生會更加熱愛物理，學到更多的知識，最重要的是知道怎么去學習，怎么去認識世界！■