在高中教学中渗透相对论基本知识的探讨

黄慧

【摘要】长期以来，高中物理讲到19世纪就没了下文，但随着我国新世纪基础教育课程改革的逐步推进，将作为现代物理学两大支柱之一的相对论的相关知识、新观念和新方法引入高中物理教学，是新时代高中物理新课程发展的必然趋势，更是学生发展的需要。基于上述立足点，从物理教学的角度，在教学理论的指导下，本文结合新课标的要求和新教材的内容，运用教育理论和学生心理特点，联系自身的教学实践，有针对性地提出相对论基本知识渗透于高中物理教学原则，并具体整理出渗透相对论基本知识的教学策略。

【关键词】高中物理物理教学相对论教学策略

【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）07-0171-02 对高中学生而言，要理解相对性原理并不难，重要的是，应阐明狭义相对性原理与伽利略相对性原理的不同以及它的意义，并借此机会对学生进行情感、态度、价值观方面的教育，达成新课标的三维目标。

狭义相对性原理表述如下：“在不同的惯性参考系中，一切物理定律都是相同的。” 根据相对性原理，对任何物体的运动状态的描述都是相对的，学生从初中开始就知道速度是一个相对的概念。例如，火车以恒定速度从站台驶出，如果是一束光从车尾射向车头，学生容易想到在车上的人看到光速c，而站台上的人都观测到光的速度是c+v。这个现象是否说明了光速不变原理同运动的相对性原理矛盾呢？

1881年，麦克耳孙做了关于上述问题的实验，探讨光沿不同方向传播，其速度有何变化。

麦克耳孙实验的原理可以用两条船的竞赛来比喻，两船速度为c，河水以恒定速度v流动。A船沿与水流平行的路线行驶一个来回，B船则由河的此岸驶到彼岸，然后返回。每条船行驶的距离是河宽的二倍，按理B船将获胜。但在麦克耳孙实验中，c是光速，v是“以太”相对于地球的速度，比赛结果却截然不同：两条“光子船”总是准确地同时到达，同我们的推想恰恰相反。麦克耳孙此后在不同条件下又做了多次实验，发现每次结果都一样：光向任何方向传播，其速度都是不变的。

可见，造成困境的根本原因就在于光速不变原理与牛顿力学中的速度加法定理相矛盾。这种矛盾，只是由于我们错误的推想造成的，而不是真正的悖论。

从光的悖论引入，再创建情景让学生讨论，学生在分析推理的过程中亲自体会狭义相对论“先破后立”的建立过程，感受思辨的魅力，培养思维能力；通过实验事实的列举，让学生在了解科学发展历程的同时，树立尊重客观事实的科学精神，把知识目标和过程与方法目标、情感态度价值观目标有机地统一起来。

时间和空间的相对性（以“感性材料激发抽象思维”的形式，实现渗透相对论基本知识）

同时的相对性

“同时的相对性”描述的世界跟日常经验有很大的差别，人教版的课本仅以一幅简单图片说明问题，学生不容易理解，故这里以课本的思路为蓝本，以连续变化的图片更清晰地说明问题，并以此展开更多的讨论，使不同层次的学生的思维能力都能得到锻炼。

对能力强的学生，还可以借此提出更进一步的问题以锻炼他们融会贯通和思辨的能力，例如：“如何才能使时刻发生逆转呢？”“若时间的前后关系可以逆转，那么事物的因果关系会不会颠倒？”等。这些问题不一定要在课堂上进行讨论或给出答案，而是以此为契机，引导学生在课后进行资料搜集和相关文献阅读，达到激起学生学习兴趣，引导学生自主学习的目的，同时也为学生开一扇更宽阔的“窗”去见识相对论的世界。

长度的相对性

类似时间的相对性，在讲解长度相对性时，也可以用连续的图片或者flash动画等代替课本上单一的图片，使学生能对整个测量过程更加清晰，更容易理解运动物体长度缩短的原因：由于在不同的惯性系对“同时”的观测结果不同的。既然火车和站台上的双方对物体两端位置观测的时刻不同，得出的长度自然不同。最后再以图片（见图1）展示长度缩短的现象，让学生在给予感性认识的图片中更好地体会理论的内容。

时间膨胀

从时间和空间的相对性到时间间隔的相对性的叙述，课本都是直接给出公式，用一句“通过严格的数学推导可以得到”草草带过，给人突兀的感觉。事实上，相关公式的推导也不一定要用很高深的数学工具，只需中学数学就可以了，下面将把相对论时间公式的推导和时间膨胀的问题结合在一起讨论，以此为例说明能为学生理解的相对论中相关公式的推导或处理办法。

准备两个结构完全相同的光时钟，一个安装在相对银河车站静止的飞船上，一个安放在高速行驶的飞船中。按照相对性原理，无论在相对站台静止的飞船中的A或运动的飞船中的B，他们各自观察各自的时钟，光都向正上方前进，经反射后向正下方返回，两个时钟的走法是完全相同的。如果从A的角度比较A和B所在飞船的两个光时钟，情况就完全不同了。在A看来，B所在飞船的时钟的下方的镜子接收到光再反射出来，由于B所在飞船向右运动，反射光斜着朝右上方前进。这束光到达上面镜子必须经过比A所在飞船中的光时钟更长的距离，因此这束光到达上方镜子要迟一点，根据光速不变原理，A看到的光，不论是方向向上还是斜向上光速都为c。光射到上方镜子后再返回时情况也一样。于是A观察到：B所在的运动飞船上的时钟比自己所在的静止飞船上的时钟慢，即运动着的时钟变慢。

下面利用勾股定理简要推导一下时间公式。设光时钟两个镜面之间的距离为L。从Ａ的角度观察Ｂ的时钟，假设Ｂ的时钟走一个计时周期的时间为△t，那么这段时间内光走过的距离为c△t。在这段相同的时间内，时钟运动的水平距离为v△t，其中v为Ｂ所在飞船相对站台的速度。根据勾股定理有

L2+■■=■■⑴

在Ｂ看来，她所在飞船的时钟是静止的，一个计时周期内，光走过的距离为2L，所以Ｂ观察到的时间间隔是△t0=■，故

L=■ ⑵

由⑴⑵两式可得△t=■△t0 ⑶

以上公式完全可让学生自行推导，增加学生学习信心，使学生对运动时钟变慢的结论理解更深，探究兴趣更浓。类似地，还可以引导学生利用简单的数学工具推导出相对论的长度公式，更好地理解“运动的尺子缩短”的原因。及至后面关于相对论的速度公式和质量公式，都是同样以相对性原理和光速不变原理为基础理论引导学生理解和分析，对能力强的学生，还可以教导他们利用数学工具推导出相关公式，这里就不再重复叙述了。

广义相对论简介（以“思想实验和理论探究”的形式，实现渗透相对论基本知识）

教学时应重点介绍广义相对论的主要内容，而不需展开计算和证明。由于这部分内容离学生生活比较远，比较晦涩难懂，因此应尽量采用多媒体手段，化抽象为具体，建立物理模型。

等效原理

爱因斯坦在演讲中曾这样说：“我在伯尔尼的专利局坐在一张椅子上，这时一个想法突然涌上心头。我突然想到：‘假如某一个人自由下落，这个人肯定感觉不到自己的重量。这个简单的想法给了我很深的印象。”从爱因斯坦的原话创设物理情景，学生自然地跟着这个想法思考，循着爱因斯坦的逻辑理解广义相对论，学习效果当然比死记硬背强得多。

继续考察自由落体现象。当电梯自由下落时，置于乘坐的人眼前的苹果由于与人完全相同地下落，所以看起来是静止的，相当于重力不存在。如果在宇宙空间中有一静止的飞船，那么里面的人看到眼前的苹果也一样是静止的。类似地，人乘坐在没有窗户、看不见外面的电梯中，电梯的缆绳由火箭牵引。这时握在电梯中的人手中的苹果一旦人松手就会落到地上。在此情景中，可以让学生讨论“如果你是电梯中的人，你觉得外面发生了什么事呢？”第一种可能是电梯在地球表面上，由于重力作用，苹果受重力落地。第二种可能是飞船在做匀加速运动。究竟是哪一种情况，里面的人根本无法确定。也就是说，一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。通过这样的实例和图片的展示，学生理解等效原理就不那么费劲了。

弯曲的光线

在引力可以忽略的空间中光沿直线传播。现在地表处有一电梯朝正下方下落，在电梯的墙上开一个小窗，让光线射入，由于电梯自由下落，处于完全失重状态，在电梯里的人看来，光线沿直线传播。但在地表的人看来，情况就不一样了。由于光速并非无穷大，所以光线由小窗射入到投射到对面墙壁也要费时间的。在这段时间内，电梯在下落，因此光线不再沿直线传播，而是向下弯曲。也就是说，在引力场的作用下，光线会弯曲。

这样的现象似乎匪夷所思，却早已为实验验证。1919年日全食期间，两支英国考察队分赴几内亚湾和巴西进行观测，发现由于太阳引力的作用，可以看到太阳后面的恒星，结果完全证实了广义相对论关于光线弯曲的结论 。

通过图片或视频把生活中难得一见的奇妙现象展现在学生眼前，不但能使学生更好地了解广义相对论的结论，更让学生学会欣赏物理学的美丽，体会爱因斯坦思想的光辉，达到知识与技能、过程与方法、情感态度价值观三维教学目标。

研究成果与问题

主要成果

现代物理学日新月异的发展，促进了社会生产力水平和人类生活水平的不断提高，藉新世纪基础教育课程改革，现代物理学知识，尤其是相对论基本知识，渗透于高中物理教学是必然的。因此，在高中阶段渗透相对论基本知识是一个不得不考虑的问题。这一思想自第一次世界性的科学课程改革已开始体现，但到目前为止，有关相对论基本知识渗透于高中物理教学的具体教学策略问题却研究较少。本文在教学理论的指导下，结合新课标的要求和新教材的内容，运用教育理论和学生心理特点，联系自身的教学实践，具体整理出相对论基本知识的教学策略专题，在这个专题下面的3个板块中提出多项内容具体，操作性和实用性强，经一定实践检验教学效果较好的教学策略。在物理学科的研究和教育中，实验占有非常重要的地位，一个新实验的出现可能就要迫使物理理论做出相应的修正和变革，引起思想的进化和革命，例如，爱因斯坦的思想实验引出了相对论等。而教材中尽管提到实验的重要性，却只是作蜻蜓点水般的介绍。因此本文的教学策略中着重探讨了实验（包括实际实验与思想实验）的讲授方法，并适当补充了一些相关实验，以更好地达到教学目标。

存在问题及今后研究方向

由于本人研究所涉范围的限制，也囿于本人学识及撰写论文的时间限制，对高中阶段渗透相对论基本知识的教学探讨还有待不断发展，有些问题在本文还未能得到深入阐述，也有待进一步的研究，主要包括：

第一，高中物理教学渗透相对论基本知识的过程中的个性化问题。

第二，高中阶段渗透相对论基本知识的过程中教学媒体的选择和使用问题。

第三，在教学策略和教学方法方面，主要集中阐述了课堂教学的相关内容，而缺少其他方式渗透的探讨。

第四，在高中物理教学中渗透相对论基本知识对教师专业发展的影响及对策问题。

本论文肯定还有许多其他方面的不足和缺陷，但今后将不断地研究，让绿洲中的这点红开得更鲜艳和灿烂，不断拓宽学生的视野，培养学生的能力，促进学生健康全面的发展。

参考文献：

[1]廖伯琴.普通高中物理课程标准（实验）解读[M].湖北：湖北教育出版社，2004.1:21.

[2]人民教育出版社、课程教材研究所、物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书 物理（选修3-4）[M].北京：人民教育出版社，2005.6:103-120.

[3][美]爱因斯坦 著，杨润殷 译.狭义与广义相对论浅说[M].北京：北京大学出版社，2006.4:12-14.