狹義相對(duì)論時(shí)空觀的教學(xué)研究

韓蓮芳

摘 要 通過與牛頓經(jīng)典時(shí)空觀的對(duì)比，使學(xué)生接受愛因斯坦狹義相對(duì)論時(shí)空觀。在教學(xué)過程中，不能采用傳統(tǒng)的“理論灌輸”的辦法，這樣不僅不會(huì)激發(fā)學(xué)生的興趣，反而會(huì)挫傷其接受新知識(shí)的積極性。要運(yùn)用與實(shí)際相結(jié)合的方式提出相對(duì)論的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的狹義相對(duì)論時(shí)空觀，此外在教學(xué)過程中要注重學(xué)生的創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 狹義相對(duì)論原理 相對(duì)論時(shí)空觀 相對(duì)論的應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.03.040

Teaching and Research of Special Relativity of Time and Space

HAN Lianfang

（School of Life Sciences， Anhui Medical University， Hefei， Anhui 230032）

Abstract Compared with Newton's classical space-time， we can spur the students to accept Einstein's special theory of relativity space-time view. During the teaching process， we should enlighten the students' passion for knowledge in the class. If we take the spoon-feed teaching， we can not stimulate students' interest， but affect their enthusiasm about new knowledge. Combining with a practical way， we put forward the application for the theory of relativity， thus， we can raise students' interest about the special theory of relativity space-time view. Moreover， we should devote ourselves to cultivate the students' innovation abilities in class teaching.

Key words special relativity principle; The theory of relativity space-time view; application for the theory of relativity

0 引言

到19世紀(jì)末，人們發(fā)現(xiàn)伽利略變換與電磁學(xué)理論的不自洽，為解決這一矛盾，物理學(xué)家提出了“以太假說”，即放棄相對(duì)性原理。認(rèn)為“以太”是絕對(duì)靜止的，并彌漫于整個(gè)宇宙間，無色無味，具有極大的彈性模量，但又不產(chǎn)生任何阻力等一些特性。在“以太”中飛行的地球上的物體及人應(yīng)該感到迎面吹來的“以太風(fēng)”。如果在地面上讓光線在平行和垂直于“以太風(fēng)”的方向上傳播，它們應(yīng)有不同的速度。歷史上很多科學(xué)家都致力于測(cè)量地球相對(duì)于“以太”的速度，其中著名的邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明地球在“以太”中各個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)的速度都相同，這就說明光速在各個(gè)方向上是不變的。很多物理學(xué)家提出各種修補(bǔ)方案，但是這些都以失敗告終。愛因斯坦從戴維·休漠和恩特斯·馬赫的著作中獲得啟示，①突破了經(jīng)典時(shí)空觀的束縛，大膽拋棄“以太”的概念，提出四維時(shí)空觀，時(shí)間延緩，長(zhǎng)度縮短，質(zhì)速關(guān)系，質(zhì)能關(guān)系和時(shí)空彎曲等高速世界中的奇異現(xiàn)象。通過學(xué)習(xí)相對(duì)論使學(xué)生知道時(shí)間、空間并不是絕對(duì)的，牛頓的經(jīng)典時(shí)空觀存在著局限性——它只適用于低速物體。②

1 狹義相對(duì)論的時(shí)空觀

愛因斯坦的相對(duì)論一直以博大精深、深?yuàn)W難懂著稱，而課本上又介紹得非常簡(jiǎn)單，所以要讓學(xué)生能夠理解并且接受新的時(shí)空觀還是有一定難度的。因此，在教學(xué)前，應(yīng)首先解決學(xué)生的畏懼、排斥心理，教學(xué)才能有效進(jìn)行?？梢韵葟拇蠹沂煜さ闹袊?guó)古代神話傳說介紹起，例如：在《西游記》中，就有“天上一日，地上一年”的說法，通過這個(gè)故事引導(dǎo)學(xué)生思考在現(xiàn)實(shí)生活中會(huì)不會(huì)有這樣的“神話故事”發(fā)生，這樣可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新的時(shí)空觀的興趣。接著介紹愛因斯坦狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理，③一是相對(duì)性原理。即：物理定律在所有的慣性參考系中都適用，不同于伽利略原理只有力學(xué)規(guī)律在一切慣性參考系中是等價(jià)的，愛因斯坦的狹義相對(duì)論性原理把伽利略原理推廣到所有的物理定律。另一個(gè)基本原理是光速不變?cè)?，即：光速與慣性參考系的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)沒有關(guān)系，光速在真空中是不變的。而經(jīng)典的時(shí)空觀認(rèn)為空間和時(shí)間是絕對(duì)的，且空間、時(shí)間和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)三者是孤立的，相互之間沒有關(guān)聯(lián)。下面通過與牛頓絕對(duì)時(shí)空觀的對(duì)比，介紹狹義相對(duì)論時(shí)空觀的內(nèi)容。

1.1 同時(shí)性的相對(duì)性

以愛因斯坦火車（Einstein train）為例（如圖1），參考系是愛因斯坦火車，參考系是地面。在火車的兩個(gè)端點(diǎn)和分別放置兩個(gè)光信號(hào)接收器，在它們的中點(diǎn)放置光信號(hào)發(fā)生器，某一時(shí)刻，發(fā)一光信號(hào)，那么和收到光信號(hào)的時(shí)間間隔是多少？設(shè)在系中，和能同時(shí)收到光信號(hào)，所以 = ，即?= 0，= ，那么在參考系中，由洛倫茲變化可知，，，則。因此，在坐標(biāo)系系中觀測(cè)者得到的結(jié)論是這兩個(gè)事件是同時(shí)發(fā)生的，而在參考系中，這兩個(gè)事件卻是先后發(fā)生的。也就是說，在一個(gè)參考系中同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一個(gè)參考系中卻不一定是同時(shí)發(fā)生的，所以同時(shí)具有相對(duì)性。

1.2 時(shí)間延緩

既然在不同慣性系中，同時(shí)是一個(gè)相對(duì)的概念，則兩個(gè)事件的時(shí)間間隔是否也會(huì)與參考系有關(guān)呢？在系（是相對(duì)于觀察者是靜止的參考系），如果兩個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間間隔為： = ，在系中（是相對(duì)于觀察者以速度運(yùn)動(dòng)的參考系），這兩事件發(fā)生的時(shí)間間隔用= 表示。假設(shè)以速度相對(duì)于參考系運(yùn)動(dòng)，根據(jù)洛侖茲變換有：，，，<1，因此， > 。而運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，因此在地球上的人看航天器里的鐘是慢了，而相反地，航天器里的人看地球上的鐘也比他們的慢。因此，這種時(shí)間延緩效應(yīng)也是相對(duì)而言的。

圖1 愛因斯坦火車

例如：某一航天器以 = 9？03m/s的速率相對(duì)于某一個(gè)慣性系做勻速飛行，航天器上的鐘走了5s的時(shí)間，那么這個(gè)慣性系上的鐘走了多長(zhǎng)時(shí)間？把航天器設(shè)定為 系，把某一慣性系設(shè)為系，由題意可知，= 5s。而在中（ = ，其中為光速），因此，慣性參考系中的鐘走了5.000000002s。而在日常生活中，物體速度都遠(yuǎn)小于光速，因此在現(xiàn)實(shí)生活中，一般時(shí)間延緩是可以忽略的。

1.3 長(zhǎng)度收縮

設(shè)系相對(duì)于系以速度運(yùn)動(dòng)，在軸上固定一竿子（見圖2）。在系中，竿的長(zhǎng)度為： = ，在系中，竿的長(zhǎng)度為： = ，由洛侖茲變換式可知，，，所以，而<1，因此>。由上述可知，物體在運(yùn)動(dòng)的方向上長(zhǎng)度會(huì)收縮，這種現(xiàn)象稱為長(zhǎng)度收縮。

2 牛頓經(jīng)典時(shí)空觀和愛因斯坦相對(duì)論時(shí)空觀的比較

與經(jīng)典時(shí)空觀對(duì)比（表1）可知，在學(xué)習(xí)相對(duì)論時(shí)空觀時(shí)應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：一是不同于絕對(duì)時(shí)空觀，狹義相對(duì)論時(shí)空觀中，時(shí)間和空間不是孤立存在的，彼此之間有一定的聯(lián)系。二是不同的慣性參考系有不同的時(shí)間和空間坐標(biāo)，它們彼此會(huì)認(rèn)為對(duì)方的時(shí)鐘走慢了，另外，也會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)方“竿”的長(zhǎng)度在運(yùn)動(dòng)方向上變短了。三是在一個(gè)慣性參考系中同時(shí)發(fā)生的事情，在另一個(gè)慣性參考系中可能不是同時(shí)發(fā)生的。愛因斯坦的狹義相對(duì)論是牛頓經(jīng)典時(shí)空觀的修正和拓展。介紹完相對(duì)論時(shí)空觀內(nèi)容之后，可以列舉一些實(shí)例分析相對(duì)論在科學(xué)上的應(yīng)用，從而不讓學(xué)生認(rèn)為新的理論是離我們很遠(yuǎn)的理論。例如：醫(yī)院里的粒子加速器能產(chǎn)生高能粒子用于治療，這種就需要考慮相對(duì)論效應(yīng)。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)上的原子鐘也應(yīng)考慮到相對(duì)論效應(yīng)，以確保定位準(zhǔn)確等。

3 結(jié)語

本文通過與牛頓絕對(duì)時(shí)空觀的對(duì)比，從已知到未知，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜逐漸介紹狹義相對(duì)論的內(nèi)容。另外，在文中還舉出日常生活中狹義相對(duì)論的應(yīng)用，讓學(xué)生不會(huì)感覺到這個(gè)新時(shí)空觀離我們生活很遠(yuǎn)，這樣讓學(xué)生更容易理解和接受新的時(shí)空觀。

注釋

① 梁志超.物質(zhì)波的相速度、群速度與粒子的速度.廣西梧州師范高等專科學(xué)校學(xué)報(bào).2003.19（2）：56-57.

② （美）A·愛因斯坦.相對(duì)論的意義.科學(xué)出版社，1996：6-39;1997：16-70.

③ 程守誅，江之永，等.普通物理學(xué).上冊(cè)（第六版）[M].北京：高等教育出版社，2006：144，148-153.