淺析新課程背景下相對論教學

鐘光輝

(河北師范大學物理學院 河北 石家莊 050016)

黃群飛①

(中國人民大學附屬中學 北京 100080)

相對論是20世紀自然科學最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，代表了人類智慧最華美的結晶，也集中反映了人類的科學精神和追求，對物理學、天文學乃至哲學思想都有深遠的影響．相對論建立了嶄新的時空觀，極大地改變了人類對自然界的認識和思維方式，其基本思想對于人們認識宏觀世界有著深遠的影響，并指導著人類探索宇宙奧秘．

教育和科研工作者都應該了解，在對學生進行教育和培養(yǎng)的過程中，與淺顯的科學新聞或死記硬背的數(shù)學公式相比，科學思維的訓練更為重要．通過相對論學習，合理提高學生的概括性認知能力，使之理解愛因斯坦對自然、光的傳播、空間、時間和引力的觀點，領略愛因斯坦相對論的內在美，有助于正確培養(yǎng)創(chuàng)造性科學思維方法．從思維模式和思想方法來說，通過相對論的建立，愛因斯坦提出了“原理—理論”的概念[1]．如何理解和掌握這種方法，對高中生甚至從事任何理論工作的學者來說，都是大有裨益的．

根據(jù)高中生的認知與心理發(fā)展規(guī)律，本文擬從內容編排、興趣激發(fā)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)等三個方面深入探討相對論教學對培養(yǎng)學生創(chuàng)造性科學思維的作用．

1 內容的編排如何與學生的年齡特點相適應

高中學生從14，15到17，18歲，稱為學齡晚期或青年初期[2]．青年初期個體的自覺性、獨立性有了顯著的增長，達到前所未有的水平．研究表明，高中階段的學生，其認知能力的發(fā)展程度接近于成熟，基本能夠運用抽象的、適于形式邏輯的推理去思考問題，具備了演繹或歸納的能力，可以進行獨立地探究活動，能夠開展自主研究型學習．所以，在相對論內容的選取和組織表達方式上，既可以采用邏輯演繹方式，也可以采用歸納推理方式，二者都符合高中生認識事物和學習的認知規(guī)律．

1.1 邏輯演繹推理方式

采用邏輯演繹推理方式組織相對論內容，基本可以按照其客觀發(fā)展分為三個大步驟．首先介紹狹義相對論產生的歷史大背景，尤其是光速測量引起的困難．通過講述邁克耳孫-莫雷實驗，使學生理解，傳播光的介質“以太”是不存在的，用實驗事實揭示出經(jīng)典物理學時空觀所遇到的光行差與邁克耳遜實驗的矛盾．這樣，學生在感性上就明確了狹義相對論的實驗基礎.其次，在描述實驗結果時，需要穿插講述經(jīng)典相對性原理與電磁規(guī)律的復雜關系，進而給出統(tǒng)一兩者所需要的兩個基本假設，即相對性原理和光速不變原理.最后，給出狹義相對論的主要結論——時間延緩(時鐘變慢)和長度縮短，以及在兩個基本假設的基礎上推導出的其他一些推論．

邁克耳孫-莫雷實驗的結果對經(jīng)典時空觀形成的巨大沖擊，足以引起高中生的關注和好奇．在此基礎上，引導學生逐步深入了解相對論的產生和發(fā)展過程，最終使他們拋棄經(jīng)典的時空觀，接受愛因斯坦提出的狹義相對論．

用實驗來演示相對論知識的上升和發(fā)展，可以讓學生充分體驗知識的產生過程，讓他們認識到，當現(xiàn)有的理論不能解釋自然現(xiàn)象或與實驗結果相悖時，理論與實際的矛盾就推動了科學向前發(fā)展．當引力場存在時，二質點間的引力作用在狹義相對論中是同時產生的，沒有傳播過程，而引力的大小，則完全取決于質點間的距離．由于相對論中的“同時”和“距離”都是相對的，都會隨著觀察者所在的參考系而變化．所以，引導學生思考其引力場存在的時間問題，就可以超越狹義相對論，開始介紹廣義相對論．

1.2 歸納邏輯推理的方式

采用歸納邏輯推理的思路組織相對論內容，則是“原理—理論”的思維模式和思想方法，有利于提高學生的歸納推理思維能力．

由于麥克斯韋方程組不滿足伽利略變換，所以麥克斯韋電磁理論與牛頓的經(jīng)典力學理論相矛盾，最突出的是真空中光速對任何參考系都不變．愛因斯坦認識到伽利略相對性原理和麥克斯韋電磁理論都是大量實驗證實的理論，這樣導致的“光速不變”結論，雖然與建立在伽利略變換基礎上的速度疊加法則相矛盾，但理論自身也要不斷完善．所以，在同時代奧地利物理學家馬赫的思想影響下，愛因斯坦于1905年提出了狹義相對論的兩條基本假設：

(1)真空中光速對任何參考系不變；

(2)狹義相對性原理：物理學定律在所有的慣性系中具有不變的形式．

第(2)條假設原為相對性原理，提出廣義相對論后，這個相對性原理改稱狹義相對性原理．

這兩個假設得到的一個關鍵結論是：時間的絕對性是值得懷疑的，對不同參考系，“同時”具有相對性．

狹義相對論的所有結論，其實都是在有著不同相對速度的慣性參考系間由兩條基本假設導出的．主要包括：

(1)同時的相對性;

(2)時間的延緩;

(3)長度的收縮;

(4)洛倫茲變換．

這個變換最初是由洛倫茲等人為解決麥克斯韋方程組不滿足伽利略變換而提出的，它符合“相對性原理”的數(shù)學變換，但洛倫茲沒有認識到這個變換的物理意義．

早在愛因斯坦之前，“相對性原理”就在物理學界存在，是一個檢驗物理定律的原理．在狹義相對論確立后，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)萬有引力定律并不滿足相對性原理．為此，從1907年到1915年，他歷時8年建立了廣義相對論，其基礎是(強)等效原理．由這一原理可得出關于引力的一系列推論，其數(shù)學基礎是愛因斯坦場方程．

狹義相對論和廣義相對論都給出了一種新的時空觀，即時間和空間是不可分割的，它們是一個整體．

雖然歸納邏輯推理的講述沒有涉及到邁克耳孫-莫雷實驗，但其推理過程簡潔，有利于高中學生的抽象思維和邏輯思維能力提高，也使學生像愛因斯坦一樣經(jīng)歷這一科學探究過程．

以上兩種闡述方法雖然略有不同，但都符合學生的認知發(fā)展規(guī)律和心理特點．只要注意組織教學內容，使內容的編排符合學生的心理發(fā)展過程，就會取得同樣好的教學效果．

2 如何激發(fā)學生的學習興趣

興趣是最好的學習動力，只有對學習的內容感興趣，學習者才能自主、用心地學習．處于青少年期的中學生，興趣愛好日益廣泛，求知欲與好奇心強烈，樂于參加各種創(chuàng)造性活動，對學習和科技活動有極大的興趣．

高中的理科生雖然或多或少都接觸過相對論，但因其主要結論與生活常識不一致，學生往往難于理解，進而產生畏難心理．如何幫助學生克服這種畏難情緒，逐漸對相對論產生興趣，最終理解并認同相對論的時空觀，則是相對論教學的關鍵和難點．

結合學生的日常生活，提出一些重要而有趣的問題,可以激發(fā)學生的求知欲．有關相對論的問題很多，可以先讓學生自己提出各自的疑惑，然后再根據(jù)同學的問題適當總結，針對具有普遍性的具體問題開始闡述“狹義相對論的時空觀”．闡述的重點在于時空觀念的轉變，即用相對的時空觀念替代經(jīng)典的絕對時空觀念．由于真空光速在任何慣性系中都相同，所以“時間和長度”在不同慣性系中存在著差別，這種差別只有在不同慣性參考系的相對速度與光速可比時才有意義，而現(xiàn)實的物理速度遠遠小于光速，所以感覺到的時間和長度好像是絕對的．

介紹一些穿越時空的小說及影視作品，并根據(jù)愛因斯坦相對論，用科學的視角探究其真實性，則不僅可以激發(fā)學生的學習興趣，還能加深學生對相對論的掌握程度．

關于穿越時空的小說及影視作品有回到過去的，也有進入未來的．穿越時空回到過去是對愛因斯坦相對論的誤解，而穿越時空進入未來則有典型的雙生子佯謬．

讓學生置身各種問題情景中，適時地引導他們交流、討論、分析、思考，并體會科學家在相對論發(fā)展過程中的實驗觀測、困惑、試探和智慧，真正加深對相對論結論的認識，以進一步激發(fā)探索科學奧秘的興趣．

學習的樂趣是學習的主動性和積極性．利用眾多懸念來提高學生的興趣，可以參考《相對論百問》．相對論涉及到的幾個包括[3]：

如果你以光的速度運動，將會看到一幅什么樣的景象？

愛因斯坦是如何創(chuàng)建狹義相對論的？

著名的雙生子佯謬說：有雙胞胎兄弟A和B，A一直生活在地球上，B乘宇宙飛船加速到外星球去旅行，回來時B將比A年輕，如果飛船加速到接近光速，然后再返回，B將比A年輕許多，可能A已經(jīng)是老頭了，B還很年輕．這種貌似天方夜譚的事情，真的可能嗎？

星際飛船上的宇航員看到什么景象？感受到哪些相對論效應？

原子鐘有什么用處[4]？原子鐘最初是由物理學家創(chuàng)造出來用于探索宇宙本質的．20世紀30年代，拉比和他的學生研究原子和原子核的基本特性，他們發(fā)現(xiàn)同一種原子的共振頻率準確度如此之高，例如銫133的共振頻率為每秒9 192 631 770周，那么銫原子便可以用作一種節(jié)拍器來確定高精度的時間．高精度時間對于理論研究有很重要的意義，比如研究宇宙的演化，檢驗愛因斯坦的相對論——光速會不會隨著時間改變．

3 如何提高學生的解決問題和創(chuàng)新能力

有一個古老的諺語：Tell me and I′ll forget. Show me and I may not remember. Let me try and I′ll understand.最后一句話的意思是：讓我自己嘗試來做，我會理解．這闡述了參與學習活動的必要性，要提高學生的解決問題和創(chuàng)新能力，最好的方法是探究科學和參與科學思考的過程，它可以使學生在獲得科學知識具體內容的同時，更深入地理解科學內容，更好地發(fā)展學生的科學思考能力．

著名科學家波普爾總結了愛因斯坦科學研究的經(jīng)驗，提出了“科學開始于問題”．因為在他看來，問題是解決自身的矛盾，它的存在是理論發(fā)展的起點，它的揭露與提出是理論發(fā)展的動力．因而科學的個體發(fā)展過程也是從問題到問題的不斷進步的過程．隨著這種進步，問題的深度也不斷地增加．

學習相對論知識，固然是學習本身重要的一環(huán)，但培養(yǎng)探究思想，掌握探究的方法和過程更為重要．相對論的建立和發(fā)展過程，是舊理論遇到了無法解決的問題，物理學家怎樣解決這個問題，并建立新的理論，新理論又如何得到觀測和實驗的支持，這些過程富含著人類的思想智慧．學習它，尤其可以發(fā)展人的思維．所以，結合學習過程理解和掌握科學思想，便是一個需要關注的問題．

例如，在開始講述廣義相對論時，先幫助學生總結狹義相對論的知識，并引導學生思考：“狹義相對論不是通過‘光速不變原理’解決了經(jīng)典力學解決不了的問題嗎？為什么還要學習廣義相對論呢？”幫助學生認識學習廣義相對論的原因和目的，清楚地告訴學生“引力的作用以什么速度傳遞？”是狹義相對論不能解決的問題，讓學生能夠體會到狹義相對論雖然解決了經(jīng)典力學無法解決的問題，但也有解決不了的新問題，所以要學廣義相對論．隨著問題深度的不斷加深和解決，學生的解決問題能力和創(chuàng)新能力就會大幅地提高．

總之，相對論教學能較好地體現(xiàn)新課程的理念，相對論內容表述和活動設計與學生年齡特點相適應，設計的學習情景能激發(fā)學生的學習興趣，就會有利于提高學生解決問題和創(chuàng)新能力．

說明：2011年，筆者參加河北師范大學頂崗支教過程中，在實習學校發(fā)現(xiàn)，由于相對論知識的特殊性，有些中學物理教師在教學上出現(xiàn)一定的困難.希望此文能夠為一線教師教學提供些許幫助.

參考文獻

1 郭士堃. 廣義相對論導論.成都：電子科技大學出版社，2005

2 物理課程標準研制組.普通高中物理課程標準(實驗)解讀.武漢：湖北教育出版社，2004

3 趙崢.相對論教學中的若干問題. 大學物理， 2011(3)：5～10

4 問答.原子鐘有什么用途. 新知客，2010(3)：118