淺談大學物理教學中思想性和趣味性的融入*
——以“時間的相對性”為例

常 旭

(江蘇建筑職業(yè)技術學院信電工程學院 江蘇 徐州 221116;商丘師范學院電子電氣工程學院 河南 商丘 476000)

曾慶國 尹乃強

(商丘師范學院電子電氣工程學院 河南 商丘 476000)

物理學是研究物質的基本結構、相互作用以及運動規(guī)律的自然科學.它所展現(xiàn)的科學的世界觀和方法論深刻影響著人類對自然界的基本認識和思維方式,是人類文明發(fā)展的重要基石[1].大學物理是面向廣大理工科學生而開設的一門專業(yè)基礎必修課程,在為學生奠定必要的物理基礎,培養(yǎng)學生科學的世界觀和方法論,增強學生分析、解決問題的能力,培養(yǎng)學生的探究精神和創(chuàng)新意識等方面,發(fā)揮著極其重要的作用.物理學的知識體系具有十分強的系統(tǒng)性,所以大學物理相對于中學物理而言,在經(jīng)典物理部分,二者的知識框架基本是一致的,涵蓋力、熱、光、電、磁這幾大方面,主要的差別在于大學物理借助了矢量和微積分這兩種數(shù)學工具,使得我們能解決的問題由特殊擴展至一般,具有更廣泛性;以熱學部分為例,大學物理新增了利用統(tǒng)計的方法從微觀的角度研究熱現(xiàn)象和熱規(guī)律,即氣體動理論,在光學部分中,大學物理主要研究物理光學,重點放在光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象上.此外,大學物理新增了近代以來物理學的新成就,例如相對論和量子物理部分.在這樣的情況下,一方面是新的數(shù)學工具,一方面是新的知識點,使得部分學生在進行大學物理學習時,感到難度較大且比較枯燥,所以如何激發(fā)學生的學習興趣,有效地利用大學物理這一課堂陣地對學生進行培養(yǎng),實現(xiàn)學術性和趣味性的雙贏是我們在大學物理教學過程中值得探索的一項工作.

同時,根據(jù)《高等學校課程思政指導綱要》的要求,課程思政建設要在所有學科全面推進,將課程思政建設內(nèi)容有機融于課程教學,而大學物理涉及到的知識包含了人類對自然界的認知和運動規(guī)律的探索過程,充分體現(xiàn)了物理教學蘊含的文化基因和價值范式[1].所以,大學物理本身就是一門獨具特色的思政課程,在人才培養(yǎng)的過程中,理所當然地應擔負起“守好一段渠、種好責任田”的育人功能.而我們知道,物理學知識源于生活,又必然走向生活,所以將生活生產(chǎn)實際與物理教學相融合也是十分必要的.

為此,在大學物理課堂教學中,思想性和趣味性的融入具有重大的意義,有助于激發(fā)學生的學習興趣,有助于知識傳授和價值引領的融合,從而提高育人的質量.在本文中,我們將以馬文蔚先生主編的《物理學》(第七版)中的“時間的相對性”這一知識點為例[2],探討在教學過程中如何實現(xiàn)思想性和趣味性的融入.

1 知識體系

近代以來,物理學的所有重大成就幾乎都建立于相對論和量子理論的基礎之上,狹義相對論在當代物理學知識體系中處于基礎性的地位,是大學物理知識體系中一個重要的部分[3].而狹義相對論的時空觀與人們?nèi)粘５恼J知大相徑庭,是對經(jīng)典力學時空觀念的一個顛覆,所以往往不容易被學生所接受.在講解該知識點的過程中,加強思想性和趣味性的融入有助于激發(fā)學生學習的興趣,能深化學生對知識的理解,同時實現(xiàn)課程思政教育.

狹義相對論下關于時間的認識包含了兩個層面,一個是“同時的相對性”,在此基礎上推斷時間的測量也應該具有相對性,經(jīng)過定性分析和定量討論得到“時間膨脹效應”,二者間存在遞進的關系,它們的物理基礎是狹義相對論的基本原理,數(shù)學基礎是洛倫茲時間變換關系.狹義相對論的時間觀較經(jīng)典力學的時間觀更具有廣泛性,在低速運動的情況下,前者回歸至后者,這一點和洛倫茲變換在低速情況下回歸至伽利略變換是一致的.

2 從課程設計看思想性和趣味性的融入

2.1 引課環(huán)節(jié)

先簡述17世紀到19世紀經(jīng)典物理學的成就,說明物理學家認為經(jīng)典物理學的大廈已基本建立,剩下的只是修飾性的工作,或者是小數(shù)點后面多增加幾位數(shù)字而已.然而,在1900年4月27日,英國著名物理學家開爾文男爵在英國皇家學會發(fā)表了題為《在熱和光動力理論上空的十九世紀的烏云》的演講,他指出物理學美麗而晴朗的天空被兩朵烏云籠罩,他所說的第一朵烏云是指邁克爾遜-莫雷實驗的結果和光是通過以太作為媒質傳播的假設相矛盾,這便是狹義相對論創(chuàng)立的歷史背景.那么,在狹義相對論下,人們對時空的認識又是如何呢?下面可從人類對時空的認識過程,對學生進行愛國主義和辯證唯物主義的教育.從“河圖洛書”談起,它們是河洛文化的濫觴,中華文明的源頭,被譽為“宇宙魔方”.河圖是一組代表數(shù)字的圓點的一種排列,其最大奧妙在于把單數(shù)連在一起,再把雙數(shù)連在一起,就形成兩條相互交織的螺旋線.日月輪轉,晝夜交替,時間流逝,蘊含了華夏文明中樸素的時空觀,即宇宙是一個螺旋展開的時空,體現(xiàn)了中華文化深厚的底蘊,可以激發(fā)學生對中華傳統(tǒng)文化的熱愛和民族自豪感.接著講對時間的認識是人類永恒的話題,值得我們?nèi)ヌ剿?并提出兩個問題請學生思考.

問題1:地球上同時發(fā)生的兩件事,在“天宮一號”空間站的宇航員看來是否同時發(fā)生?

問題2:光速旅行能讓人長生不老嗎?這里講述“孿生子佯謬”,孿生兄弟中的哥哥做接近光速的旅行,十分鐘后返回地面,發(fā)現(xiàn)弟弟已是白發(fā)蒼蒼的老人,哥哥還是風華正茂的翩翩少年,這是為什么呢?

在此提出這兩個問題,留下懸念,能激發(fā)學生學習興趣,引發(fā)學生思考,并導入新課.

2.2 知識點的講授環(huán)節(jié)

在“同時的相對性”部分,借助“愛因斯坦火車”思想實驗,模型如下:火車相對于地面以速度v做勻速直線運動,小男孩站在火車上,小女孩站在地面上,車廂正中間有盞燈發(fā)出光信號,把車廂后壁和前壁分別接收到光信號作為事件1和2.現(xiàn)在的問題是:在小男孩和小女孩看來,車廂前后壁是否同時接收到光信號呢?先定性分析,小男孩以車廂為參考系,在他看來,光信號向前和向后傳播的速度是一樣的,所走的距離也相同,所以光信號同時到達車廂前后壁;小女孩以地面為參考系,在她看來,后壁是以速度v迎向光信號,前壁則是以速度v背離光信號,所以光信號先到達車廂后壁.由此可見,在車廂參考系同時發(fā)生的兩件事在地面參考系看來并非同時發(fā)生.接下來定量討論,以地面為S系,車廂為S′系,事件1、2在兩個參考系中有著不同的時空坐標.假設:S系中x1和x2兩處分別發(fā)生兩件事,時間間隔Δt=t2-t1,求在S′系中這兩件事發(fā)生的時間間隔Δt′.利用洛倫茲時間變換式,分別得出

和

二者相減可得

以Δt′為基礎,分4種情況討論在兩個參考系中兩個事件的同時性,為了增加趣味性,可以借助具體的例子進行輔助說明.

情況1:Δx≠0,Δt=0,在S系中同時不同地的兩件事,在S′系中是否同時發(fā)生?例如,將地面和空間站分別作為S系和S′系,地面參考系中A醫(yī)院和B醫(yī)院早上7點鐘各出生一個嬰兒,在空間站S′系中的宇航員看來這兩個嬰兒是否同時出生呢?計算可知,此時Δt′≠0,在宇航員看來兩個嬰兒不是同時出生.

情況2:Δx=0,Δt≠0,在S系中同地不同時的兩件事,在S′系中是否同時發(fā)生?例如,A醫(yī)院早上7點鐘和8點鐘各出生一個嬰兒,在空間站中的宇航員看來這兩個嬰兒是否同時出生呢?計算可知,此時Δt′≠0,在宇航員看來兩個嬰兒不是同時出生.

情況3:Δx=0,Δt=0,在S系中同地同時的兩件事,在S′系中是否同時發(fā)生?例如,A醫(yī)院早上7點鐘出生兩個嬰兒,在空間站中的宇航員看來這兩個嬰兒是否同時出生呢?很明顯,此時Δt′=0,在宇航員看來兩個嬰兒也是同時出生的.

由此可見,雖然我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｕf眼見為實,其實有的時候“眼不見也為實”,比如這里的特例,在地面上的人看來,兩個孩子并非同時出生,但在空間站的宇航員看來,兩個孩子卻是同時出生的.因此對我們來說沒有發(fā)生的事情,對宇航員卻是實實在在的,這是因為我們的參考系不同,所站角度不同.這里進行總結:同時性具有相對意義,沿兩個慣性系的運動方向,不同地點發(fā)生的兩件事,在其中一個慣性系中是同時的,在另一慣性系中觀察則不同時;只有同時同地發(fā)生的兩件事,在其他慣性系中觀察才是同時的.此處自然而然地融入思政元素:看待人生和世界也應該采用辯證的觀點,鼓勵學生超越自身的局限,提高自己的思想深度、眼界寬度、境界高度和胸懷廣度,多角度地、用辯證的思維審視一個問題,將會得到不同的結果[3].經(jīng)過這樣的一個講解過程,將物理理論和生活實例相聯(lián)系,可以激發(fā)學生學習的興趣,寓教于樂,使得晦澀的理論變得容易理解和接受,而且潛移默化地對學生進行了世界觀和人生觀的教育,同時也與引課環(huán)節(jié)提出的第一個問題相呼應.

和

時間間隔為

我們把同一地點發(fā)生的兩事件的時間間隔稱為固有時間τ0,所以車廂S′系中測得的B點發(fā)射和接收光信號的時間間隔為固有時間.地面相對于車廂做勻速直線運動,在地面上測得的時間為運動時間τ,顯然τ>τ0,即運動時間大于固有時間,這種現(xiàn)象稱為時間膨脹效應,也稱為“動鐘變慢”.由此可見,時間的流逝不是絕對的,運動將改變時間的進程,生命在于運動,激勵學生擁有積極主動的人生態(tài)度,只爭朝夕,不負韶華.

利用上述的“時間膨脹效應”可以解釋引課環(huán)節(jié)提出的第二個問題——“孿生子佯謬”.哥哥摩托車的速度接近于光速,他在太空旅行的10分鐘,是固有時間,弟弟測得的時間為運動時間,計算可得,弟弟測量的時間為3千多萬分鐘,約為60年.所以哥哥歸來時依舊是少年,弟弟則進入暮年.這種處理方法解釋了之前的預留問題,前后呼應,趣味性強,吸引學生注意力,讓學生為最后所得結論唏噓不已,加深了對知識的理解.

3 結論

本文立足狹義相對論的傳承脈絡和愛因斯坦的思想架構,對“狹義相對論的時間觀”這一知識點進行案例分析,從“同時”的相對性和“時間膨脹效應”這個方面,加強了學生對時間概念的認識.在進行知識傳授的過程中,培養(yǎng)學生追求真理、勇于創(chuàng)新的科學發(fā)展觀念,教給學生辯證唯物主義哲學觀,鼓勵學生站在一個更高的維度去觀察世界和人生的意識,從而使學生樹立正確的人生觀、世界觀,增強學生思維的廣闊性、深刻性和敏銳性,并深入挖掘中華傳統(tǒng)文化元素,借助“河圖洛書”中樸素的時空觀,引導學生了解我國的古典文化,有助于樹立學生的文化自信.依照本文的方法,將哲學思想和生活實例同物理理論相結合,一方面有助于學生對物理知識的掌握,還能提升學生的思想認知,激發(fā)學生的學習興趣,實現(xiàn)將物理走向生活的目的.