在高中教學(xué)中滲透相對(duì)論基本知識(shí)的探討

黃慧

【摘要】長(zhǎng)期以來(lái)，高中物理講到19世紀(jì)就沒(méi)了下文，但隨著我國(guó)新世紀(jì)基礎(chǔ)教育課程改革的逐步推進(jìn)，將作為現(xiàn)代物理學(xué)兩大支柱之一的相對(duì)論的相關(guān)知識(shí)、新觀念和新方法引入高中物理教學(xué)，是新時(shí)代高中物理新課程發(fā)展的必然趨勢(shì)，更是學(xué)生發(fā)展的需要?；谏鲜隽⒆泓c(diǎn)，從物理教學(xué)的角度，在教學(xué)理論的指導(dǎo)下，本文結(jié)合新課標(biāo)的要求和新教材的內(nèi)容，運(yùn)用教育理論和學(xué)生心理特點(diǎn)，聯(lián)系自身的教學(xué)實(shí)踐，有針對(duì)性地提出相對(duì)論基本知識(shí)滲透于高中物理教學(xué)原則，并具體整理出滲透相對(duì)論基本知識(shí)的教學(xué)策略。

【關(guān)鍵詞】高中物理物理教學(xué)相對(duì)論教學(xué)策略

【中圖分類(lèi)號(hào)】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2014）07-0171-02 對(duì)高中學(xué)生而言，要理解相對(duì)性原理并不難，重要的是，應(yīng)闡明狹義相對(duì)性原理與伽利略相對(duì)性原理的不同以及它的意義，并借此機(jī)會(huì)對(duì)學(xué)生進(jìn)行情感、態(tài)度、價(jià)值觀方面的教育，達(dá)成新課標(biāo)的三維目標(biāo)。

狹義相對(duì)性原理表述如下：“在不同的慣性參考系中，一切物理定律都是相同的。” 根據(jù)相對(duì)性原理，對(duì)任何物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述都是相對(duì)的，學(xué)生從初中開(kāi)始就知道速度是一個(gè)相對(duì)的概念。例如，火車(chē)以恒定速度從站臺(tái)駛出，如果是一束光從車(chē)尾射向車(chē)頭，學(xué)生容易想到在車(chē)上的人看到光速c，而站臺(tái)上的人都觀測(cè)到光的速度是c+v。這個(gè)現(xiàn)象是否說(shuō)明了光速不變?cè)硗\(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理矛盾呢？

1881年，麥克耳孫做了關(guān)于上述問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)，探討光沿不同方向傳播，其速度有何變化。

麥克耳孫實(shí)驗(yàn)的原理可以用兩條船的競(jìng)賽來(lái)比喻，兩船速度為c，河水以恒定速度v流動(dòng)。A船沿與水流平行的路線(xiàn)行駛一個(gè)來(lái)回，B船則由河的此岸駛到彼岸，然后返回。每條船行駛的距離是河寬的二倍，按理B船將獲勝。但在麥克耳孫實(shí)驗(yàn)中，c是光速，v是“以太”相對(duì)于地球的速度，比賽結(jié)果卻截然不同：兩條“光子船”總是準(zhǔn)確地同時(shí)到達(dá)，同我們的推想恰恰相反。麥克耳孫此后在不同條件下又做了多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)每次結(jié)果都一樣：光向任何方向傳播，其速度都是不變的。

可見(jiàn)，造成困境的根本原因就在于光速不變?cè)砼c牛頓力學(xué)中的速度加法定理相矛盾。這種矛盾，只是由于我們錯(cuò)誤的推想造成的，而不是真正的悖論。

從光的悖論引入，再創(chuàng)建情景讓學(xué)生討論，學(xué)生在分析推理的過(guò)程中親自體會(huì)狹義相對(duì)論“先破后立”的建立過(guò)程，感受思辨的魅力，培養(yǎng)思維能力；通過(guò)實(shí)驗(yàn)事實(shí)的列舉，讓學(xué)生在了解科學(xué)發(fā)展歷程的同時(shí)，樹(shù)立尊重客觀事實(shí)的科學(xué)精神，把知識(shí)目標(biāo)和過(guò)程與方法目標(biāo)、情感態(tài)度價(jià)值觀目標(biāo)有機(jī)地統(tǒng)一起來(lái)。

時(shí)間和空間的相對(duì)性（以“感性材料激發(fā)抽象思維”的形式，實(shí)現(xiàn)滲透相對(duì)論基本知識(shí)）

同時(shí)的相對(duì)性

“同時(shí)的相對(duì)性”描述的世界跟日常經(jīng)驗(yàn)有很大的差別，人教版的課本僅以一幅簡(jiǎn)單圖片說(shuō)明問(wèn)題，學(xué)生不容易理解，故這里以課本的思路為藍(lán)本，以連續(xù)變化的圖片更清晰地說(shuō)明問(wèn)題，并以此展開(kāi)更多的討論，使不同層次的學(xué)生的思維能力都能得到鍛煉。

對(duì)能力強(qiáng)的學(xué)生，還可以借此提出更進(jìn)一步的問(wèn)題以鍛煉他們?nèi)跁?huì)貫通和思辨的能力，例如：“如何才能使時(shí)刻發(fā)生逆轉(zhuǎn)呢？”“若時(shí)間的前后關(guān)系可以逆轉(zhuǎn)，那么事物的因果關(guān)系會(huì)不會(huì)顛倒？”等。這些問(wèn)題不一定要在課堂上進(jìn)行討論或給出答案，而是以此為契機(jī)，引導(dǎo)學(xué)生在課后進(jìn)行資料搜集和相關(guān)文獻(xiàn)閱讀，達(dá)到激起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的目的，同時(shí)也為學(xué)生開(kāi)一扇更寬闊的“窗”去見(jiàn)識(shí)相對(duì)論的世界。

長(zhǎng)度的相對(duì)性

類(lèi)似時(shí)間的相對(duì)性，在講解長(zhǎng)度相對(duì)性時(shí)，也可以用連續(xù)的圖片或者flash動(dòng)畫(huà)等代替課本上單一的圖片，使學(xué)生能對(duì)整個(gè)測(cè)量過(guò)程更加清晰，更容易理解運(yùn)動(dòng)物體長(zhǎng)度縮短的原因：由于在不同的慣性系對(duì)“同時(shí)”的觀測(cè)結(jié)果不同的。既然火車(chē)和站臺(tái)上的雙方對(duì)物體兩端位置觀測(cè)的時(shí)刻不同，得出的長(zhǎng)度自然不同。最后再以圖片（見(jiàn)圖1）展示長(zhǎng)度縮短的現(xiàn)象，讓學(xué)生在給予感性認(rèn)識(shí)的圖片中更好地體會(huì)理論的內(nèi)容。

時(shí)間膨脹

從時(shí)間和空間的相對(duì)性到時(shí)間間隔的相對(duì)性的敘述，課本都是直接給出公式，用一句“通過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得到”草草帶過(guò)，給人突兀的感覺(jué)。事實(shí)上，相關(guān)公式的推導(dǎo)也不一定要用很高深的數(shù)學(xué)工具，只需中學(xué)數(shù)學(xué)就可以了，下面將把相對(duì)論時(shí)間公式的推導(dǎo)和時(shí)間膨脹的問(wèn)題結(jié)合在一起討論，以此為例說(shuō)明能為學(xué)生理解的相對(duì)論中相關(guān)公式的推導(dǎo)或處理辦法。

準(zhǔn)備兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的光時(shí)鐘，一個(gè)安裝在相對(duì)銀河車(chē)站靜止的飛船上，一個(gè)安放在高速行駛的飛船中。按照相對(duì)性原理，無(wú)論在相對(duì)站臺(tái)靜止的飛船中的A或運(yùn)動(dòng)的飛船中的B，他們各自觀察各自的時(shí)鐘，光都向正上方前進(jìn)，經(jīng)反射后向正下方返回，兩個(gè)時(shí)鐘的走法是完全相同的。如果從A的角度比較A和B所在飛船的兩個(gè)光時(shí)鐘，情況就完全不同了。在A看來(lái)，B所在飛船的時(shí)鐘的下方的鏡子接收到光再反射出來(lái)，由于B所在飛船向右運(yùn)動(dòng)，反射光斜著朝右上方前進(jìn)。這束光到達(dá)上面鏡子必須經(jīng)過(guò)比A所在飛船中的光時(shí)鐘更長(zhǎng)的距離，因此這束光到達(dá)上方鏡子要遲一點(diǎn)，根據(jù)光速不變?cè)?，A看到的光，不論是方向向上還是斜向上光速都為c。光射到上方鏡子后再返回時(shí)情況也一樣。于是A觀察到：B所在的運(yùn)動(dòng)飛船上的時(shí)鐘比自己所在的靜止飛船上的時(shí)鐘慢，即運(yùn)動(dòng)著的時(shí)鐘變慢。

下面利用勾股定理簡(jiǎn)要推導(dǎo)一下時(shí)間公式。設(shè)光時(shí)鐘兩個(gè)鏡面之間的距離為L(zhǎng)。從Ａ的角度觀察Ｂ的時(shí)鐘，假設(shè)Ｂ的時(shí)鐘走一個(gè)計(jì)時(shí)周期的時(shí)間為△t，那么這段時(shí)間內(nèi)光走過(guò)的距離為c△t。在這段相同的時(shí)間內(nèi)，時(shí)鐘運(yùn)動(dòng)的水平距離為v△t，其中v為Ｂ所在飛船相對(duì)站臺(tái)的速度。根據(jù)勾股定理有

L2+■■=■■⑴

在Ｂ看來(lái)，她所在飛船的時(shí)鐘是靜止的，一個(gè)計(jì)時(shí)周期內(nèi)，光走過(guò)的距離為2L，所以Ｂ觀察到的時(shí)間間隔是△t0=■，故

L=■ ⑵

由⑴⑵兩式可得△t=■△t0 ⑶

以上公式完全可讓學(xué)生自行推導(dǎo)，增加學(xué)生學(xué)習(xí)信心，使學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢的結(jié)論理解更深，探究興趣更濃。類(lèi)似地，還可以引導(dǎo)學(xué)生利用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)工具推導(dǎo)出相對(duì)論的長(zhǎng)度公式，更好地理解“運(yùn)動(dòng)的尺子縮短”的原因。及至后面關(guān)于相對(duì)論的速度公式和質(zhì)量公式，都是同樣以相對(duì)性原理和光速不變?cè)頌榛A(chǔ)理論引導(dǎo)學(xué)生理解和分析，對(duì)能力強(qiáng)的學(xué)生，還可以教導(dǎo)他們利用數(shù)學(xué)工具推導(dǎo)出相關(guān)公式，這里就不再重復(fù)敘述了。

廣義相對(duì)論簡(jiǎn)介（以“思想實(shí)驗(yàn)和理論探究”的形式，實(shí)現(xiàn)滲透相對(duì)論基本知識(shí)）

教學(xué)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)介紹廣義相對(duì)論的主要內(nèi)容，而不需展開(kāi)計(jì)算和證明。由于這部分內(nèi)容離學(xué)生生活比較遠(yuǎn)，比較晦澀難懂，因此應(yīng)盡量采用多媒體手段，化抽象為具體，建立物理模型。

等效原理

愛(ài)因斯坦在演講中曾這樣說(shuō)：“我在伯爾尼的專(zhuān)利局坐在一張椅子上，這時(shí)一個(gè)想法突然涌上心頭。我突然想到：‘假如某一個(gè)人自由下落，這個(gè)人肯定感覺(jué)不到自己的重量。這個(gè)簡(jiǎn)單的想法給了我很深的印象?！睆膼?ài)因斯坦的原話(huà)創(chuàng)設(shè)物理情景，學(xué)生自然地跟著這個(gè)想法思考，循著愛(ài)因斯坦的邏輯理解廣義相對(duì)論，學(xué)習(xí)效果當(dāng)然比死記硬背強(qiáng)得多。

繼續(xù)考察自由落體現(xiàn)象。當(dāng)電梯自由下落時(shí)，置于乘坐的人眼前的蘋(píng)果由于與人完全相同地下落，所以看起來(lái)是靜止的，相當(dāng)于重力不存在。如果在宇宙空間中有一靜止的飛船，那么里面的人看到眼前的蘋(píng)果也一樣是靜止的。類(lèi)似地，人乘坐在沒(méi)有窗戶(hù)、看不見(jiàn)外面的電梯中，電梯的纜繩由火箭牽引。這時(shí)握在電梯中的人手中的蘋(píng)果一旦人松手就會(huì)落到地上。在此情景中，可以讓學(xué)生討論“如果你是電梯中的人，你覺(jué)得外面發(fā)生了什么事呢？”第一種可能是電梯在地球表面上，由于重力作用，蘋(píng)果受重力落地。第二種可能是飛船在做勻加速運(yùn)動(dòng)。究竟是哪一種情況，里面的人根本無(wú)法確定。也就是說(shuō)，一個(gè)均勻的引力場(chǎng)與一個(gè)做勻加速運(yùn)動(dòng)的參考系等價(jià)。通過(guò)這樣的實(shí)例和圖片的展示，學(xué)生理解等效原理就不那么費(fèi)勁了。

彎曲的光線(xiàn)

在引力可以忽略的空間中光沿直線(xiàn)傳播?，F(xiàn)在地表處有一電梯朝正下方下落，在電梯的墻上開(kāi)一個(gè)小窗，讓光線(xiàn)射入，由于電梯自由下落，處于完全失重狀態(tài)，在電梯里的人看來(lái)，光線(xiàn)沿直線(xiàn)傳播。但在地表的人看來(lái)，情況就不一樣了。由于光速并非無(wú)窮大，所以光線(xiàn)由小窗射入到投射到對(duì)面墻壁也要費(fèi)時(shí)間的。在這段時(shí)間內(nèi)，電梯在下落，因此光線(xiàn)不再沿直線(xiàn)傳播，而是向下彎曲。也就是說(shuō)，在引力場(chǎng)的作用下，光線(xiàn)會(huì)彎曲。

這樣的現(xiàn)象似乎匪夷所思，卻早已為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。1919年日全食期間，兩支英國(guó)考察隊(duì)分赴幾內(nèi)亞灣和巴西進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)由于太陽(yáng)引力的作用，可以看到太陽(yáng)后面的恒星，結(jié)果完全證實(shí)了廣義相對(duì)論關(guān)于光線(xiàn)彎曲的結(jié)論 。

通過(guò)圖片或視頻把生活中難得一見(jiàn)的奇妙現(xiàn)象展現(xiàn)在學(xué)生眼前，不但能使學(xué)生更好地了解廣義相對(duì)論的結(jié)論，更讓學(xué)生學(xué)會(huì)欣賞物理學(xué)的美麗，體會(huì)愛(ài)因斯坦思想的光輝，達(dá)到知識(shí)與技能、過(guò)程與方法、情感態(tài)度價(jià)值觀三維教學(xué)目標(biāo)。

研究成果與問(wèn)題

主要成果

現(xiàn)代物理學(xué)日新月異的發(fā)展，促進(jìn)了社會(huì)生產(chǎn)力水平和人類(lèi)生活水平的不斷提高，藉新世紀(jì)基礎(chǔ)教育課程改革，現(xiàn)代物理學(xué)知識(shí)，尤其是相對(duì)論基本知識(shí)，滲透于高中物理教學(xué)是必然的。因此，在高中階段滲透相對(duì)論基本知識(shí)是一個(gè)不得不考慮的問(wèn)題。這一思想自第一次世界性的科學(xué)課程改革已開(kāi)始體現(xiàn)，但到目前為止，有關(guān)相對(duì)論基本知識(shí)滲透于高中物理教學(xué)的具體教學(xué)策略問(wèn)題卻研究較少。本文在教學(xué)理論的指導(dǎo)下，結(jié)合新課標(biāo)的要求和新教材的內(nèi)容，運(yùn)用教育理論和學(xué)生心理特點(diǎn)，聯(lián)系自身的教學(xué)實(shí)踐，具體整理出相對(duì)論基本知識(shí)的教學(xué)策略專(zhuān)題，在這個(gè)專(zhuān)題下面的3個(gè)板塊中提出多項(xiàng)內(nèi)容具體，操作性和實(shí)用性強(qiáng)，經(jīng)一定實(shí)踐檢驗(yàn)教學(xué)效果較好的教學(xué)策略。在物理學(xué)科的研究和教育中，實(shí)驗(yàn)占有非常重要的地位，一個(gè)新實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)可能就要迫使物理理論做出相應(yīng)的修正和變革，引起思想的進(jìn)化和革命，例如，愛(ài)因斯坦的思想實(shí)驗(yàn)引出了相對(duì)論等。而教材中盡管提到實(shí)驗(yàn)的重要性，卻只是作蜻蜓點(diǎn)水般的介紹。因此本文的教學(xué)策略中著重探討了實(shí)驗(yàn)（包括實(shí)際實(shí)驗(yàn)與思想實(shí)驗(yàn)）的講授方法，并適當(dāng)補(bǔ)充了一些相關(guān)實(shí)驗(yàn)，以更好地達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。

存在問(wèn)題及今后研究方向

由于本人研究所涉范圍的限制，也囿于本人學(xué)識(shí)及撰寫(xiě)論文的時(shí)間限制，對(duì)高中階段滲透相對(duì)論基本知識(shí)的教學(xué)探討還有待不斷發(fā)展，有些問(wèn)題在本文還未能得到深入闡述，也有待進(jìn)一步的研究，主要包括：

第一，高中物理教學(xué)滲透相對(duì)論基本知識(shí)的過(guò)程中的個(gè)性化問(wèn)題。

第二，高中階段滲透相對(duì)論基本知識(shí)的過(guò)程中教學(xué)媒體的選擇和使用問(wèn)題。

第三，在教學(xué)策略和教學(xué)方法方面，主要集中闡述了課堂教學(xué)的相關(guān)內(nèi)容，而缺少其他方式滲透的探討。

第四，在高中物理教學(xué)中滲透相對(duì)論基本知識(shí)對(duì)教師專(zhuān)業(yè)發(fā)展的影響及對(duì)策問(wèn)題。

本論文肯定還有許多其他方面的不足和缺陷，但今后將不斷地研究，讓綠洲中的這點(diǎn)紅開(kāi)得更鮮艷和燦爛，不斷拓寬學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生的能力，促進(jìn)學(xué)生健康全面的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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