中美物理教材狹義相對(duì)論的比較

楊植宗 段永發(fā) 徐生求 喻莉

(空軍預(yù)警學(xué)院基礎(chǔ)部 湖北 武漢 430019)

狹義相對(duì)論是20世紀(jì)物理學(xué)兩大進(jìn)展之一，在物理學(xué)中占有重要地位，所以國(guó)內(nèi)外大學(xué)物理教材用一章進(jìn)行了專門(mén)介紹.但是，不同的教材在內(nèi)容的編排上存在一定差異，這種差異體現(xiàn)了不同的教學(xué)理念和教學(xué)方式，本文對(duì)中美兩種物理教材狹義相對(duì)論部分進(jìn)行了比較.

1 教材介紹

用來(lái)比較的教材一種是《物理學(xué)》[1](簡(jiǎn)稱中國(guó)教材)，另一種是《Fundamentals of Physics》[2](簡(jiǎn)稱美國(guó)教材).這兩套教材難度相當(dāng)(建立在微積分基礎(chǔ)之上)，適用對(duì)象相同(面向工科學(xué)生)，并且在各自國(guó)家得到了廣泛使用.表1列出了兩種教材在“狹義相對(duì)論”這一章的內(nèi)容.

表1 兩種教材狹義相對(duì)論的內(nèi)容

續(xù)表

注：*為選講部分.

2 內(nèi)容分析

通過(guò)表1不難看出，兩本教材雖然有關(guān)相對(duì)論的知識(shí)點(diǎn)是相互覆蓋的(選講部分除外)，但是存在以下幾個(gè)方面的差異.

2.1 教材的內(nèi)容結(jié)構(gòu)

中國(guó)教材在編排這一章的時(shí)候，大致遵循了這樣一種思路：從舊理論出發(fā)到矛盾的產(chǎn)生，再到新理論的創(chuàng)立.所以一開(kāi)始回顧了伽利略變換，明確了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀，強(qiáng)調(diào)了邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)對(duì)經(jīng)典理論的沖擊，從而引入相對(duì)論基本原理.這種編排體系強(qiáng)調(diào)了舊理論遇到的困難和新理論誕生的必然.

美國(guó)教材第一節(jié)“What is Relativity All About?”，介紹了“相對(duì)論主要關(guān)注的和事件(發(fā)生的事情)的測(cè)量有關(guān)；測(cè)量和參考系以及參考系的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)，狹義相對(duì)論中‘狹義’的意思是該理論只處理慣性參考系.從兩個(gè)簡(jiǎn)單假設(shè)出發(fā)，愛(ài)因斯坦證明了時(shí)間和空間是相互聯(lián)系的，關(guān)于相對(duì)性的舊觀念是錯(cuò)誤的，即使每個(gè)人都如此習(xí)慣于它們，以致認(rèn)為它們好像是無(wú)可懷疑的常識(shí)”. 這種編排體系，開(kāi)門(mén)見(jiàn)山，給了學(xué)生關(guān)于相對(duì)論的一些整體概念，緊緊地抓住了學(xué)生的思路，大大地激發(fā)了學(xué)生的興趣.

2.2 物理概念的引入

中國(guó)教材在引入一個(gè)新的概念和規(guī)律時(shí)，常采用自上而下的推演法，即先以介紹的方式給出新的知識(shí)點(diǎn)，再用數(shù)學(xué)的方法給出詳細(xì)的推導(dǎo)和證明.這種講解方式固然具有數(shù)學(xué)上的嚴(yán)密性，但卻不是理解物理概念和規(guī)律的有效途徑.美國(guó)的教材則是以歸納的方式引入物理概念和規(guī)律，即采用直觀的非數(shù)學(xué)方式，從具體例子到更一般的關(guān)系，可使大多數(shù)學(xué)生更容易學(xué)懂.

如在講長(zhǎng)度收縮、時(shí)間膨脹和同時(shí)的相對(duì)性時(shí)，國(guó)內(nèi)教材利用洛倫茲坐標(biāo)變換進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，給出公式，忽略了三者之間的聯(lián)系，學(xué)生在學(xué)習(xí)中只會(huì)看到數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，很難理解其中的物理意義.而美國(guó)教材首先通過(guò)類比多普勒效應(yīng)，很自然地給出了同時(shí)相對(duì)性的結(jié)論，接下來(lái)用一個(gè)直觀易懂的例子簡(jiǎn)單導(dǎo)出時(shí)間膨脹，從時(shí)間膨脹又導(dǎo)出長(zhǎng)度收縮.既強(qiáng)調(diào)了光速不變?cè)?，又較好地理解了時(shí)間膨脹，加深了對(duì)長(zhǎng)度收縮以及時(shí)間測(cè)量與空間測(cè)量的聯(lián)系和理解[3～5].

美國(guó)教材為了使學(xué)生掌握基本概念的物理意義，把洛倫茲變換放到長(zhǎng)度收縮和時(shí)間膨脹后面介紹.而國(guó)內(nèi)教材一般把洛倫茲變換看成僅次于兩則基本原理的公式，因?yàn)楠M義相對(duì)論中的時(shí)間、長(zhǎng)度、質(zhì)量、能量和速度變換式都是從它推導(dǎo)出來(lái)的.

2.3 物理概念的描述

概念的學(xué)習(xí)在物理教學(xué)中具有最重要的地位，也是學(xué)生感覺(jué)最困難的部分，在相對(duì)論的學(xué)習(xí)中尤其如此.美國(guó)教材專門(mén)用了一節(jié)“Measuring an Event”大約1.5個(gè)頁(yè)面的篇幅，討論了何謂物理事件、觀測(cè)者，時(shí)空坐標(biāo)如何測(cè)量，時(shí)鐘如何校準(zhǔn)，并且給出了明確的定義和操作程序，特別是時(shí)間的測(cè)量，容不得一點(diǎn)含糊，這是學(xué)習(xí)相對(duì)論時(shí)空觀的基礎(chǔ).國(guó)內(nèi)教材沒(méi)有這些定義.

美國(guó)教材用“γ-β”曲線，說(shuō)明當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度v<0.1c時(shí).運(yùn)用“老相對(duì)論”(伽利略變換)就足夠好，只有當(dāng)v>0.1c時(shí)，才需要用洛倫茲變換，給了學(xué)生一個(gè)非常明確的判斷標(biāo)準(zhǔn)，而國(guó)內(nèi)教材通常說(shuō)速度較低時(shí)用“老相對(duì)論”.

2.4 例題和習(xí)題的設(shè)置

中國(guó)教材中的例題和習(xí)題通常是由編者直接給出理想的物理模型，已知量和需要求解的物理量比較直觀，學(xué)生只需要學(xué)會(huì)已學(xué)的公式列方程并求解.這種方式可以節(jié)省大量的篇幅，并使學(xué)生盡快熟練解題方法和步驟.

美國(guó)教材中的例題和習(xí)題多采用直接陳述物理情景和物理事件的過(guò)程，結(jié)合物理事件過(guò)程給出對(duì)某些物理量的測(cè)量結(jié)果，要求學(xué)生求解一些無(wú)法直接測(cè)量的物理量(如例38-4).這種方法常常需要用很大的篇幅來(lái)敘述一個(gè)問(wèn)題，但通過(guò)對(duì)這種例題的講解和學(xué)習(xí)，可使學(xué)生在學(xué)習(xí)運(yùn)用物理規(guī)律的同時(shí)，更重要的是學(xué)會(huì)怎樣從實(shí)際問(wèn)題中走出來(lái)，抽象出物理模型，提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力.

美國(guó)教材中每一章都是從一個(gè)生活中的問(wèn)題開(kāi)始，而不是從學(xué)術(shù)專著的角度.如相對(duì)論這一章，就是通過(guò)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的定位實(shí)例引入，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到日常生活與相對(duì)論是緊密聯(lián)系的.而國(guó)內(nèi)教材學(xué)生學(xué)了以后，覺(jué)得相對(duì)論與日常生活很遠(yuǎn).

3 結(jié)束語(yǔ)

教材是教學(xué)內(nèi)容的載體，它的編寫(xiě)體系體現(xiàn)著相應(yīng)的教育理念以及教學(xué)方式.在相對(duì)論的編排上，筆者認(rèn)為兩種教材各有特點(diǎn).中國(guó)教材具有內(nèi)容結(jié)構(gòu)體系嚴(yán)謹(jǐn)、講敘條理清晰的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有概念敘述不夠精確、不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣等缺點(diǎn).美國(guó)教材在緊密聯(lián)系生活實(shí)際、調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性等方面確有可圈可點(diǎn)之處.

相對(duì)論難學(xué)難懂是一個(gè)世界性的問(wèn)題，特別是相對(duì)論時(shí)空理論不易理解，因此，在相對(duì)論的課堂教學(xué)中，合理借鑒美國(guó)教材的一些元素，以豐富我們的教學(xué)方法，提高課堂教學(xué)效果，不失為一種有效的嘗試.

參考文獻(xiàn)

1 馬文蔚，解希順，周雨青.物理學(xué)(第5版，下冊(cè)).北京：高等教育出版社,2006

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