淺談引力波在高中物理中的實(shí)驗(yàn)演示

潘小慧

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.19.144

摘 要 將引力波的相關(guān)知識(shí)，用實(shí)驗(yàn)演示的方式引入課堂，讓學(xué)生通過(guò)觀察分析，了解和理解引力波的觀點(diǎn)，并對(duì)廣義相對(duì)論有更多的了解，對(duì)當(dāng)下科學(xué)前沿有更直接的認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞 引力波；時(shí)空彎曲；萬(wàn)有引力；物理；實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2016）19-0144-02

1 前言

近些年來(lái)，電影界不斷推出與太空航天相關(guān)的電影，如2014年上映的《地心引力》，電影里的特效讓觀影人真切地感受到宇宙獨(dú)特的環(huán)境、可能遇到的危險(xiǎn)和面對(duì)未知的孤獨(dú)與無(wú)助。將抽象的太空還原到人們眼前，使得觀影者對(duì)太空有了更深刻的感知。2015年上映的《星際穿越》中，大膽地在“蟲(chóng)洞”的理論上加以想象，展現(xiàn)前沿物理將有可能給地球和人類帶來(lái)的改變，其中狹義相對(duì)論和超立方體等理論的形象展現(xiàn)，也讓人驚嘆宇宙的神奇。

這些關(guān)于宇宙的電影，極大地豐富了人們對(duì)于宇宙的感知，也增長(zhǎng)了對(duì)前沿物理的了解和認(rèn)識(shí)。尤其是對(duì)于中小學(xué)生，他們有著強(qiáng)烈的知識(shí)渴求和欲望，通過(guò)看這類電影，不但能滿足好奇心，大開(kāi)眼界，而且能通過(guò)查閱資料和聽(tīng)講座，對(duì)相關(guān)知識(shí)形成科學(xué)的認(rèn)識(shí)。可以預(yù)測(cè)，這樣的電影會(huì)越來(lái)越多地走進(jìn)人們的生活，學(xué)生也會(huì)越來(lái)越發(fā)現(xiàn)天體物理的神奇。在這種環(huán)境下，學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)的萬(wàn)有引力知識(shí)時(shí)，就會(huì)不滿足于書(shū)本知識(shí)，而會(huì)對(duì)自己在電影和資料中學(xué)到的東西進(jìn)行提問(wèn)。

引力波是時(shí)下非常熱門的話題。2016年2月11日，美國(guó)科研人員利用激光干涉探測(cè)到了引力波的存在，證實(shí)了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的一個(gè)預(yù)測(cè)。這引發(fā)了世界的轟動(dòng)，也激起學(xué)生心中的漣漪。不妨嘗試將廣義相對(duì)論與萬(wàn)有引力的知識(shí)進(jìn)行適當(dāng)結(jié)合，引入高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

人教版物理必修2第六章內(nèi)容為“萬(wàn)有引力與航天”，其中的幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)可以與引力波聯(lián)系。教師可以在學(xué)生學(xué)習(xí)完萬(wàn)有引力性質(zhì)即大小之后，大膽引入引力波知識(shí)。下面進(jìn)行具體的說(shuō)明。

首先，給出愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論中對(duì)引力的解釋：引力是時(shí)空彎曲的一種效應(yīng)。教師可以用實(shí)驗(yàn)演示的方法幫助學(xué)生理解。找一個(gè)圓環(huán)形的支架，上面鋪一塊軟布，象征未扭曲的時(shí)空；此時(shí)，在軟布上放一個(gè)小球，就會(huì)在球周圍形成塌陷，代表扭曲的時(shí)空，如圖1所示。顯然，質(zhì)量越大，扭曲程度越大。

此時(shí)，若有一個(gè)物體從它旁邊經(jīng)過(guò)，則不能直線通過(guò)，而是圍著它做圓周運(yùn)動(dòng)，或螺旋運(yùn)動(dòng)后最終撞上中間的球，如圖2所示。對(duì)于這一現(xiàn)象，牛頓解釋為兩個(gè)球之間有萬(wàn)有引力，所以中心的球會(huì)將運(yùn)動(dòng)的小球吸引過(guò)來(lái)。然而兩者對(duì)比后，可以說(shuō)萬(wàn)有引力更像是一種從效果上的解釋，而事實(shí)上是并不存在。

這樣形象的演示可以打破學(xué)生一直以來(lái)的固有思維，使學(xué)生腦洞大開(kāi)，繼而激發(fā)其主觀能動(dòng)性。讓學(xué)生設(shè)計(jì)如何從萬(wàn)有引力的大小出發(fā)，進(jìn)一步驗(yàn)證廣義相對(duì)論中引力理論。具體來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)如下。

由萬(wàn)有引力公式可知，兩球心間距離r一定時(shí)，質(zhì)量越大，物體間的引力越大。那么，讓學(xué)生討論后可得到3個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

1）準(zhǔn)備兩塊相同的支架和布，將兩個(gè)質(zhì)量相差很多的球（稱為球1）分別放在兩塊布的中間，再選擇另外兩個(gè)完全相同的球（稱為球2），給它們初速度，讓其從球1旁經(jīng)過(guò)，保證兩球心間距離r相等，初速度盡量相同。觀察球2運(yùn)動(dòng)軌跡的彎曲情況，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)質(zhì)量大的那個(gè)球1時(shí)，軌跡彎曲更明顯，驗(yàn)證F∝m1。

2）將每組裝置中兩球互換位置，即球2放在中間，讓球1從球2的旁邊經(jīng)過(guò)，其他條件不變。觀察運(yùn)動(dòng)軌跡的彎曲情況，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量大的那個(gè)球1運(yùn)動(dòng)的軌跡彎曲程度大，驗(yàn)證F∝m2。

3）改變兩組實(shí)驗(yàn)中的r，觀察運(yùn)動(dòng)軌跡的變化。發(fā)現(xiàn)兩球質(zhì)量不變時(shí)，r越小，軌跡彎曲越不明顯，驗(yàn)證r越大，F(xiàn)越小。

最后，給出引力波的介紹：在引力的基礎(chǔ)上，愛(ài)因斯坦預(yù)言了引力波的存在，即有質(zhì)量的物體加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，它周圍的時(shí)空扭曲會(huì)以波動(dòng)的形式傳播出去，就好比水面上不停振蕩的物體，會(huì)在周圍形成水波，并向遠(yuǎn)處傳播一樣。這樣就完成了引力波與萬(wàn)有引力簡(jiǎn)單結(jié)合的一個(gè)過(guò)程。

3 實(shí)驗(yàn)意義

實(shí)驗(yàn)由學(xué)生分組完成，并給出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。這樣一來(lái)，學(xué)生邊動(dòng)手邊動(dòng)腦，親眼“看到了”愛(ài)因斯坦的引力理論，而不是抽象地理解高深的知識(shí)，對(duì)他們來(lái)說(shuō)是難得的與前沿科學(xué)邂逅的機(jī)會(huì)。當(dāng)然，還需強(qiáng)調(diào)這并不是完成了真正的探究過(guò)程，想要驗(yàn)證廣義相對(duì)論的正確性，還要運(yùn)用數(shù)學(xué)工具，經(jīng)多次計(jì)算，將理論數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出定量描述引力特征的數(shù)學(xué)表達(dá)式，即萬(wàn)有引力公式。

經(jīng)過(guò)這一過(guò)程，學(xué)生也會(huì)對(duì)公式形成新的認(rèn)識(shí)：公式不再是他們僅僅為了算題和得分的武器，而是自然規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)，是定量表述真理的手段。由此幫助學(xué)生形成更加科學(xué)和成熟的知識(shí)觀，便于學(xué)生大學(xué)后的繼續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

本著新課改的理念，筆者認(rèn)為，這樣的科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)課，除了對(duì)學(xué)生大有裨益外，也打破了之前萬(wàn)有引力這一章沒(méi)有或少有實(shí)驗(yàn)可做的實(shí)際情況，將遙遠(yuǎn)又“難搞”的天體宇宙拉到學(xué)生身邊，使他們對(duì)萬(wàn)有引力的認(rèn)識(shí)不再是懵懂地只能死記硬背。同時(shí)解放了學(xué)生，讓他們敢于用實(shí)踐檢驗(yàn)科學(xué)。相信如果多做這樣的嘗試，讓物理課堂更多地聯(lián)系實(shí)事，與時(shí)俱進(jìn)，學(xué)生會(huì)更加熱愛(ài)物理，學(xué)到更多的知識(shí)，最重要的是知道怎么去學(xué)習(xí)，怎么去認(rèn)識(shí)世界！■