對(duì)人教版高中物理選修3-4教材中一幅插圖的芻議

黃衛(wèi)良

(張家港市樂余高級(jí)中學(xué),江蘇張家港 215621)

在人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理》3-4教材第97頁中有一幅插圖如圖1所示,該圖片選自遼寧教育出版社《人物攝影》2003年4月第 1版.教材編寫組把本插圖放在第15章“相對(duì)論簡介”的首頁,并配文“高速列車上發(fā)生了什么事情?小姑娘為什么感到驚奇?”.

圖1

教材編寫組選用本圖片的目的是想用高速運(yùn)動(dòng)物體發(fā)生的“動(dòng)尺變短”這一相對(duì)論效應(yīng)來激發(fā)學(xué)生的興趣而引入新課教學(xué).但筆者認(rèn)為教材“相對(duì)論簡介”中選用這個(gè)圖片是不妥當(dāng)?shù)?具體理由如下:

疑問1:高速列車車窗的橫向長度的變化肉眼能不能辨別?

相對(duì)論中“長度的相對(duì)性”中給出了觀察者相對(duì)桿運(yùn)動(dòng)而觀察到沿運(yùn)動(dòng)方向桿長度的公式為

我們不妨代入數(shù)據(jù)來計(jì)算一下,取列車一個(gè)車窗靜止橫向長度 l0=1 m、速度 v=500 km/h(實(shí)際高速列車往往還沒有這么快!),計(jì)算得到地面觀察者看到的長度l=0.999 998 6 m,相對(duì)原長縮短了一千萬分之十四!如此細(xì)微的長度變化,小姑娘能看出來嗎?實(shí)際上本教材在103頁第 4行中也承認(rèn)“車輛、飛機(jī)等常見運(yùn)動(dòng)物體的速度 v遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速c………所以日常生活中觀察不到長度的相對(duì)性”.

疑問2:對(duì)快速移動(dòng)的多個(gè)車窗和乘客,人的肉眼能否分辨出?

從該插圖中我們可以隱隱約約看見高速列車的車窗和里面的乘客,但該圖片實(shí)際不是小姑娘看見的,而是照相機(jī)用極短的快門拍攝的.實(shí)際的小姑娘去看高速行駛中的列車,只能看到一個(gè)橫向的拖影,就好比我們普通的手機(jī)攝像頭去拍快速移動(dòng)的物體一樣.

人眼對(duì)快速移動(dòng)的物體分辨本領(lǐng)是很差的,以電視機(jī)顯像管為例,只要每秒顯示的幀數(shù)超過30幀,人眼由于“視覺殘留”就不能分辨出到底有幾個(gè)靜止畫面了而感覺是人物在動(dòng)了.而對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的列車(還是取速度500 km/h,約139 m/s,并取每米有一個(gè)車窗),每秒經(jīng)過地面觀察者的車窗數(shù)目約為139個(gè),小姑娘的眼睛根本來不及反應(yīng)而只能看到模糊的拖影,當(dāng)然也不能看到每一個(gè)車窗的橫向長度.

疑問3:圖中小姑娘真的是看到相對(duì)論效應(yīng)而驚奇嗎?

在“相對(duì)論簡介”新課教學(xué)首頁插入本圖并配文“高速列車上到底發(fā)生了什么事情,小姑娘為什么感到驚奇?”,會(huì)讓學(xué)生在學(xué)習(xí)相對(duì)論知識(shí)后產(chǎn)生這樣一個(gè)結(jié)論:小姑娘就是看到窗戶變窄和乘客變細(xì)這樣的相對(duì)論效應(yīng)而驚奇.但實(shí)際拍攝時(shí)小姑娘真的在嘗試觀察相對(duì)論效應(yīng)嗎?

本插圖來源于《人物攝影》雜志 2003年4月第1版,該雜志不是物理研究類期刊,而是面向大眾攝影的雜志.該攝影愛好者拍攝本照片取景的焦點(diǎn)是圖中的小姑娘矗立凝望高速列車的專注神情,作者的拍攝意圖一定是嘗試拍攝高速列車的相對(duì)論效應(yīng)嗎?如果圖片作者不是為了研究相對(duì)論而拍攝,圖中小姑娘也不是因?yàn)榭吹较鄬?duì)論效應(yīng)(事實(shí)上也看不到)而驚奇,那么選用本圖片并配文“高速列車上發(fā)生了什么事情?小姑娘為什么感到驚奇?”,這有悖于物理學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的學(xué)科特點(diǎn).

綜上所述,筆者認(rèn)為教材中選用本圖片是值得商榷的.