关于高中近、现代物理知识的教学建议

陈运保 段晓莉

(河南师范大学，河南 新乡 453007)

近、现代物理在物理学乃至整个自然科学领域中具有举足轻重的地位,也是当今科技和工业发展的重要理论基础,因此,高中生学习近现代物理的一些初步知识是颇具裨益的,不仅有助于学生建立完整的物理知识体系、了解现代物理思想方法,而且有助于学生理解科学、技术、社会之间的关系,理解科学技术是第一生产力的内涵,强化科教兴国的使命感．

近、现代物理被引入高中物理课程的主要内容是原子论、相对论和量子论等,例如《高中物理课程标准》[1]要求:初步了解相对论时空观．了解广义相对论的主要思想、结论和观测证据．知道实物粒子具有波动性,了解微观世界的量子化特征．体会量子论的建立对人们认识物质世界的影响．

但是在教学实践中,近、现代物理知识的教学面临着很多困境,有研究者针对新教材中近、现代物理教学的效果进行了相关的调查,[2，3]揭示了一些问题,例如，教师和教材都存在传统物理教学定势、教师的知识水平和学生认知水平的局限性、高考大纲的局限性问题等．

从课标来看,高中对近、现代物理知识的要求绝大多数是“了解”层次,要求不高,因此,在教学中一定要讲得浅显,切忌太难、太高深,但另一方面,即便浅显,也需要讲解清晰、明确、透彻,不失其科学性．不能只是给出几个名词、条文让学生死记硬背,也不能不讲或任由学生处理、不了了之．那么,如何才能把这看似矛盾的两方面统一起来，改善近、现代物理知识的教学效果呢?本文认为应该从以下几个方面入手．

1 重构教师的近、现代物理知识结构

当前高中教师的近、现代物理知识主要来自大学期间的专业课学习,而大学专业课中的近、现代物理学具有系统性和完整性的特点,其逻辑严密,铺垫厚实,并且有相关专业知识和数学知识做支撑．这些都是在中学物理教学中不可能具备,也无法做到的．因此,尽管教师具有充足的近、现代物理知识,但其知识构架和认知体系很难为中学教学所用．这里以大学专业教材中关于狭义相对论的教学为例加以讨论．如高等教育出版社出版的郭硕鸿先生的《电动力学》[4]中,对狭义相对论中关键结论诸如“钟缓尺缩”和“质能方程”的推导都是从洛伦兹变换出发的,而中学物理中根本不涉及洛伦兹变换的内容．因此,教师在大学专业课上的知识构架在中学课堂上将无法施展,教师会感觉每一个知识点都显得很突兀,不能与其他知识很好地衔接和过渡,甚至感到无从下手．

事实上,中学物理教材中采用了完全不同于大学专业课程中的方式来引入狭义相对论中的关键结论,其讲述凭借定性的分析并带有科普的色彩．

因此,在讲授近、现代物理知识时,高中教师不应该完全依赖在大学专业课中系统而又严谨的知识构架,而应该重构一套适合中学生理解力和认知力的知识构架,其中一个必要且可行的方法是阅读一些有关近、现代物理的科普性质的文献和书籍．如霍金的《时间简史》,张轩中的《相对论通俗演义》,日本北海道大学毕业的山本将史所著的《漫画相对论》,大阪教育大学江福纯著的《写给小学生看的相对论》,毕业于东京理科大学石川宪二的《漫画量子力学》等,这类科普性书籍深入浅出、通俗易懂,又善打比方,但同时又不失其科学性．这些内容将有助于教师通俗易懂地理解和讲授近、现代物理知识的内涵．

2 善于利用近、现代物理与经典物理之间的联系和区别,实施对比性教学

正如前述,近、现代物理知识在中学课堂上显的孤立突兀,原因正在于这部分知识与经典物理知识之间有一定的间隙．因此,教师需充分挖掘这种关联性、找出异同点,要加强新旧知识的对比、衔接和过渡．

这里以狭义相对论中“同时的相对性”为例简要阐明新旧知识间的连接．教材[5]中的图示(如图1所示)是“同时相对性”的原理图,作为对比,教师首先把其中的灯换成一个能够前后发射的机枪,并假设向前向后发射出的子弹相对于枪口的速度相同,然后让学生思考向前和向后的子弹是否同时射到接收靶上．这个思考题即使在经典物理中也不失其教学重要性和趣味性．通过教师引导,让学生体会参照系的选择问题,这会导致两种不同的解法:一种是选车为参照系,那么车厢就是静止的,机枪和靶都静止,显然两个子弹同时到达车头和车尾．另一种是选地面为参照系,那么根据伽利略变换,射向车头的子弹速度大小为v弹+v车,射向车尾的速度大小为v弹-v车．同样地,射向车头的子弹与车头接收器之间是“追击问题”,两者间(即子弹和车头接收器之间)的相对速度大小为v弹+v车-v车=v弹; 射向车尾的子弹与车尾接收器之间是“相遇问题”,两者间(即子弹和车尾接收器之间)的相对速度大小为v弹-v车+v车=v弹，因此,子弹也是同时到达车头和车尾的．两种参考系的结论是相同的,即向前、向后的子弹同时到达车头靶上和车尾靶上．这意味着两个事件不管在哪个参考系下都是同时发生的．换句话说,“同时性”是绝对的,不依赖参照系的．

然后把机枪换成灯,相应地把子弹换成了光信号,结果又会如何呢?

图1 地面和运动的车厢中“同时的相对性”问题

如图1所示,图中O代表在正中心位置的一盏灯,当灯打开,两束光线分别射向车头和车尾．站在车内的观测者看到的灯和前后接收器均为静止．因此,看到两束光“同时”到达车头和车尾,即车头接收光信号和车尾接收光信号这两件事是“同时”发生的．但在车外地面上的观测者所看到的情况则不同．首先强调，根据光速不变原理,地面观测者看到的向左、向右射出的光的光速依然均为c不变.这一点导致了和经典物理的重要不同.再考虑到车向右运动,因此,向车尾(向左)射去的光与接收器形成一个“相遇问题”．而向车头(向右)射去的光与接收器形成一个“追击问题”．故而光速不变的假设将导致光到达车尾的时间要短于到达车头的时间．因此,车头接收到光信号和车尾接收到光信号这两个事件是“不同时”的, 此即“同时的相对性”．

为什么会产生这样奇怪的结果呢?通过这样的对比,学生不但温习了旧的知识,同时也会对新知识(“同时的相对性”)有更深刻的理解,学生将会明白光速在任何参考系都不变这条假设在导出“同时的相对性”这一结论的过程中所起的关键作用．

进一步,教师还要让学生认识到经典物理的局限性．教师可以向学生阐明,同时相对性的结论是普适的,所有物体的运动都存在同时的相对性这个问题．在图1中,即使把光换成子弹,若从狭义相对论的时空观出发,站在地面的观测者依然能够得出射向车尾的子弹比射向车头的子弹先被接收到这样的结论,只不过这种效应非常不明显而已．只有当物体速度与光速可比拟时,相对论效应才表现得显著起来．

经典物理与近现代物理之间的对比性教学也可以用于量子论的教学中,这里也举一例．在讲量子论部分时,为了让学生明白微观粒子与经典粒子的不同,可以构想如下实验:分别用经典粒子(如子弹)和微观粒子(如电子)进行双缝干涉实验,并比较其结果．当然,这里教师可以通过画示意图的方式给出实验的结果.

图2中,最左侧的发射器代表机枪和电子枪．右侧粗线代表子弹在接收屏上的分布,细线代表电子在接收屏上的分布．两者的区别在于,前者没有干涉条纹,仅仅是子弹密度分布的相加．后者则是物质波的相干叠加的结果,因此具有明暗条纹．在这个想象实验中,通过对比子弹和电子在接收屏上的行为,可以很好地帮助学生理解微观粒子和经典粒子的差别．

图2 子弹和电子的双缝实验示意图

最后,笔者想指出对比性教学固然有很多好处,但教师要能够准确驾驭知识,做到正确类比,不能丧失其科学性．这里举一个相反的案例,有中学教师讲相对论中时间的相对性时曾做这样的比喻:让一个人在火炉旁待一个小时,他会觉得时间过得很慢,而让他和一个漂亮姑娘待一个小时,他会觉得时间过得很快,这就是时间的相对性．据说爱因斯坦曾用这个例子说明什么叫“相对”,若仅仅用这个例子解释“相对”这个词汇的含义的话,自然也说得过去,但用于理解相对论时空观的内涵则是毫无用处的,应该引起教师的警惕．

3 帮助学生理清脉络、抓住关键点

首先,教师要深入透彻地分析教材,理解教材的设计思路和推理逻辑．例如,教材在“钟缓尺缩”这一部分的设计思路[5]是:首先提出狭义相对论的两条基本假设;从基本假设出发先导出“同时的相对性”这一重要结论,再从“同时的相对性”出发导出“尺缩”效应； 最后从“尺缩”效应出发,设计情景可以较为自然地导出“钟缓”．为此,教师应理解这一线索,并抓住“同时的相对性”这一关键点,让学生对此展开深入的讨论,提高认识,为后面学习和导出“钟缓尺缩”效应做准备．

其次,教师可以结合物理学史帮助学生理清物理知识发展的脉络．近、现代物理中很多思想的提出都有着非常有趣的科学背景,教师可以突出近、现代物理知识的背景以及人类思考这些问题时的思路或物理思想,沿着历史发展的脉络,学生可以更容易理解其内涵，了解近、现代物理的思想方法,并且印象深刻、兴趣浓厚．这里以量子论中微观粒子的波粒二象性为例加以阐明．

即使在大学课堂,关于波粒二象性的概念也是一个很大的教学难点,因为它与我们的生活经验格格不入．我们没有办法通过一些形象的比喻帮助学生理解它,很多貌似生动的比喻往往都不能反映真实的物理本质,进而对学生产生这样或那样的误导,因而是不可取的．例如,不少人(包括教师)认为只有大量的微观粒子的集体运动才表现出粒子分布疏密不均的波动性,而单个的微观粒子只能表现出粒子性;再如,有人认为,微观粒子的波动性是指粒子在空间中的运动轨迹类似正弦或余弦曲线,因而说微观粒子具有波粒二象性．事实上上面的这些错误认识都源于人们的思维太过胶着于经典的物理图像,并企图用经典的图像去理解量子物理．事实证明这是一种徒劳．对于教学而言,也同样如此．当教师在课堂上企图用经典的图像来阐明量子物理的概念时,他往往就要出错了．那么如何避开这些错误,同时又让学生能够较好地接受正确的近、现代物理观念呢?一个比较好的做法就是结合近现代物理自身的发展经历来讲授．就微观粒子的波粒二象性而言,人类经历了一个漫长的认识过程．首先,早在量子论诞生之前,人们对光的本质的认识已经有了粒子性和波动性之争，主张光是粒子的代表人物是牛顿,主张光是波的代表人物是惠更斯．但在当时,无论是牛顿的粒子还是惠更斯的波都是经典的粒子和经典的波．二者是彼此对立的,不相容的．在早期的光学实验中,人们主要围绕一些简单的光现象进行研究:光的直线传播(一个典型例子是小孔成像),光的反射(一个典型例子是平面镜成像),光的折射(一个典型例子是凸透镜成像)．对于这些简单现象,牛顿的微粒说和惠更斯的波动说都能予以解释,因此难分伯仲．但是到了后来,托马斯·杨发现了光的干涉、衍射现象以后,惠更斯的波动说以压倒性的优势占据了主导地位．再到后来,麦克斯韦进一步提出光不但是波而且是一种电磁波的观念．自此,光的波动观点便无可非议地被完全确立．但是,到了1905年,爱因斯坦基于光电效应的实验事实提出了光子的概念,光的粒子性又被人们重新认识和重视，并且,人们发现无论抛弃波动性,还是抛弃粒子性都不能对所有光现象自圆其说,因此人们在经历漫长的思想斗争之后终于意识到了波动性和粒子性必须具有内在的统一．关于光子的波粒二象性的发现历程对提高学生兴趣、降低学生接受新概念的困难一定是有益的．

而对于另一种基本粒子——电子,其波粒二象性的发现则与光子有着完全相反的命运．自从汤姆逊发现电子以后,人们从来都是将其作为粒子看待的,从未意识到电子会有波动性．由于电子的波长很短,因此诸如干涉、衍射这些反映波动性的现象在实验上很难观测,故而在早期的实验中未能发现电子的波动性．但是,年轻的德国物理学博士德布罗意认为,电子和光子同为微观粒子,既然光子具有波动性和粒子性,那么电子也应该具有波动性和粒子性．德布罗意假说的正确性由后来的戴维逊-革末实验和电子双缝干涉实验得以证实．

物理学本身的发展历程往往就是最符合物理知识认知规律的过程．由于近、现代物理教学的特殊困难,结合物理学史进行教学具有特别重要的意义和作用．另外,结合物理学史教学还有助于避免学生对近、现代物理概念的理解陷入错误的陷阱．例如上面提及的对波粒二象性的种种错误认识在近、现代物理发展过程中都曾出现过,人们在历史上通过各种实验和思辨最终都发现它们是错误的,如果将这些史料有机地融入课堂教学中,将会很大程度上克服学生的经验观念、加深对概念的正确理解．

4 结合实验和技术应用进行教学

物理学是一门实验科学,物理教学要密切结合实验、实例向学生展示或说明相关的物理现象，概括其中的关键特点,揭示其中的物理理论,或运用相关理论解释现象．近、现代物理教学也是如此．

关于狭义相对论中的基本效应的教学,可以通过一些有趣的思想实验和真实实验激发学生兴趣、帮助学生理解．著名的孪生子佯谬就是一个很好的思想实验,并且该思想实验通过简化最终被真实实验所验证．其实验思想是:一对孪生子兄弟,其中一个在家,一个坐飞船旅行,当飞船回到地面家中后,兄弟两个哪个更年轻?而在1970—1971年,科学家用负载铯原子钟的飞机绕地球赤道飞行一圈回到原点与地面上的铯原子钟比对,结果发现,运动时钟与静止时钟之间的确存在时间差,其差值大概为10-7s,与根据相对论算出的理论值接近．这间接地证明了孪生子实验在狭义相对论框架下的结论．

此外,卫星定位系统GPS在以前由于没有考虑到相对论中的时间相对性,导致定位误差较大,现在把相对论效应考虑进去之后,精准度大大提高．

以上这些生动的实验或实例若能有机地融入近、现代物理的教学课堂,将能有效地激发学生的热情和兴趣，降低近、现代物理的学习难度．

此外,近、现代物理带来了当今的科技革命,在社会各个方面得到了广泛的应用,如果能够结合其技术应用情景进行教学,也将有利于学生理解知识、激发学习兴趣．

例如,关于质能方程的教学,高中教材对该方程全部论述只有寥寥3行(不足40字)[5]．那么如何让学生更好地领会这个方程的奥妙呢?教师可以结合核能的利用进行教学．例如,结合原子弹爆炸的图片、结合1945年美国在日本广岛投下的原子弹的历史来帮助理解质能方程．在广岛爆炸的原子弹造成的破坏力相当于13000公吨TNT炸药,何以有如此大的威力呢? 这与质能方程中光速的平方有很大关系,因为光速3×108m/s,平方之后就是一个1016量级．一个很小的质量亏损就能释放很大的能量,这与TNT炸药中的化学能有着本质区别．此外,世界各国建立的核电站也是利用重核裂变来实现质量和能量转化,是质能方程的技术应用．

概括而言,在高中物理课程中引入近现代物理内容是非常必要的,但是在教学实践中存在一定的困难,要解决这些困难首先需要教师重构近、现代物理知识结构,其次,需要教师采取多种教学策略辅助教学．

参考文献：

1 中华人民共和国教育部制订.普通高中物理课程标准[Z].北京:北京师范大学出版社，2017:16-41.

2 梁志国,郭玉英.从报刊看我国公众对近现代物理学知识的需求[J].学科教育,2002(11):31-34.

3 潘建标.高中物理新教材渗透物理学前沿的探讨[J].物理教学探讨,2004(4):29-30.

4 郭硕鸿.电动力学[M].北京:高等教育出版社，2008:192-208.

5 人民教育出版社.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，2011:98-99,98-100,106.