浅谈引力波在高中物理中的实验演示

潘小慧

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

摘 要 将引力波的相关知识，用实验演示的方式引入课堂，让学生通过观察分析，了解和理解引力波的观点，并对广义相对论有更多的了解，对当下科学前沿有更直接的认识。

关键词 引力波；时空弯曲；万有引力；物理；实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）19-0144-02

1 前言

近些年来，电影界不断推出与太空航天相关的电影，如2014年上映的《地心引力》，电影里的特效让观影人真切地感受到宇宙独特的环境、可能遇到的危险和面对未知的孤独与无助。将抽象的太空还原到人们眼前，使得观影者对太空有了更深刻的感知。2015年上映的《星际穿越》中，大胆地在“虫洞”的理论上加以想象，展现前沿物理将有可能给地球和人类带来的改变，其中狭义相对论和超立方体等理论的形象展现，也让人惊叹宇宙的神奇。

这些关于宇宙的电影，极大地丰富了人们对于宇宙的感知，也增长了对前沿物理的了解和认识。尤其是对于中小学生，他们有着强烈的知识渴求和欲望，通过看这类电影，不但能满足好奇心，大开眼界，而且能通过查阅资料和听讲座，对相关知识形成科学的认识。可以预测，这样的电影会越来越多地走进人们的生活，学生也会越来越发现天体物理的神奇。在这种环境下，学生在学习相关的万有引力知识时，就会不满足于书本知识，而会对自己在电影和资料中学到的东西进行提问。

引力波是时下非常热门的话题。2016年2月11日，美国科研人员利用激光干涉探测到了引力波的存在，证实了爱因斯坦广义相对论的一个预测。这引发了世界的轰动，也激起学生心中的涟漪。不妨尝试将广义相对论与万有引力的知识进行适当结合，引入高中物理实验教学。

2 实验设计方案

人教版物理必修2第六章内容为“万有引力与航天”，其中的几个知识点可以与引力波联系。教师可以在学生学习完万有引力性质即大小之后，大胆引入引力波知识。下面进行具体的说明。

首先，给出爱因斯坦广义相对论中对引力的解释：引力是时空弯曲的一种效应。教师可以用实验演示的方法帮助学生理解。找一个圆环形的支架，上面铺一块软布，象征未扭曲的时空；此时，在软布上放一个小球，就会在球周围形成塌陷，代表扭曲的时空，如图1所示。显然，质量越大，扭曲程度越大。

此时，若有一个物体从它旁边经过，则不能直线通过，而是围着它做圆周运动，或螺旋运动后最终撞上中间的球，如图2所示。对于这一现象，牛顿解释为两个球之间有万有引力，所以中心的球会将运动的小球吸引过来。然而两者对比后，可以说万有引力更像是一种从效果上的解释，而事实上是并不存在。

这样形象的演示可以打破学生一直以来的固有思维，使学生脑洞大开，继而激发其主观能动性。让学生设计如何从万有引力的大小出发，进一步验证广义相对论中引力理论。具体来说，设计如下。

由万有引力公式可知，两球心间距离r一定时，质量越大，物体间的引力越大。那么，让学生讨论后可得到3个对比实验。

1）准备两块相同的支架和布，将两个质量相差很多的球（称为球1）分别放在两块布的中间，再选择另外两个完全相同的球（称为球2），给它们初速度，让其从球1旁经过，保证两球心间距离r相等，初速度尽量相同。观察球2运动轨迹的弯曲情况，发现经过质量大的那个球1时，轨迹弯曲更明显，验证F∝m1。

2）将每组装置中两球互换位置，即球2放在中间，让球1从球2的旁边经过，其他条件不变。观察运动轨迹的弯曲情况，发现质量大的那个球1运动的轨迹弯曲程度大，验证F∝m2。

3）改变两组实验中的r，观察运动轨迹的变化。发现两球质量不变时，r越小，轨迹弯曲越不明显，验证r越大，F越小。

最后，给出引力波的介绍：在引力的基础上，爱因斯坦预言了引力波的存在，即有质量的物体加速运动时，它周围的时空扭曲会以波动的形式传播出去，就好比水面上不停振荡的物体，会在周围形成水波，并向远处传播一样。这样就完成了引力波与万有引力简单结合的一个过程。

3 实验意义

实验由学生分组完成，并给出实验结论。这样一来，学生边动手边动脑，亲眼“看到了”爱因斯坦的引力理论，而不是抽象地理解高深的知识，对他们来说是难得的与前沿科学邂逅的机会。当然，还需强调这并不是完成了真正的探究过程，想要验证广义相对论的正确性，还要运用数学工具，经多次计算，将理论数据和实验结果进行对比，得出定量描述引力特征的数学表达式，即万有引力公式。

经过这一过程，学生也会对公式形成新的认识：公式不再是他们仅仅为了算题和得分的武器，而是自然规律的数学表达，是定量表述真理的手段。由此帮助学生形成更加科学和成熟的知识观，便于学生大学后的继续发展。

4 结语

本着新课改的理念，笔者认为，这样的科学探究实验课，除了对学生大有裨益外，也打破了之前万有引力这一章没有或少有实验可做的实际情况，将遥远又“难搞”的天体宇宙拉到学生身边，使他们对万有引力的认识不再是懵懂地只能死记硬背。同时解放了学生，让他们敢于用实践检验科学。相信如果多做这样的尝试，让物理课堂更多地联系实事，与时俱进，学生会更加热爱物理，学到更多的知识，最重要的是知道怎么去学习，怎么去认识世界！■