高中物理“狹義相對論”內(nèi)容比較分析及教學建議

張琪 梁軍

摘 ? 要：“狹義相對論”是近代物理學的基石，中學階段開展“狹義相對論”教學，對于培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)具有極其重要的作用。教材是學生學習及教師教學的主要資源，文章選取中、美、英、德四國高中物理教材“狹義相對論”部分的知識點進行分析對比，并進行了一定程度上的內(nèi)容重構，提出教學建議，以期為高中物理“狹義相對論”教學提供參考。

關鍵詞：高中物理;教材比較;狹義相對論;內(nèi)容重構

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2020）1-0019-4

“狹義相對論”是20世紀最偉大的成就之一，已被廣泛地應用于物理學的各個領域。高中物理進行“相對論”教學可以改變學生的時空觀、物質觀和運動觀，提高學生的科學素養(yǎng)，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和科學探究能力。所以，高中進行“狹義相對論”教學具有極其重要的意義。

1 ? ?問題的提出

早在1985年，查有梁先生就提出：“對于相對論的基本原理，只要在方法上有所突破，正如牛頓力學一樣，也可能較系統(tǒng)地教給學生”。然而，自1996年頒布的《全日制普通高級中學物理教學大綱（供試驗用）》將“狹義相對論”部分的知識點作為選學內(nèi)容引入高中物理課程以來，已有二十余年的歷史，“狹義相對論”知識在高中物理的教學并沒有取得很好的成效。

新頒布的《普通高中物理課程標準（2017年版）》[2]（下文中簡稱2017版《課程標準》）在必修2和選修3兩部分對“狹義相對論”的教學提出了要求。

必修2的要求：①知道牛頓力學的局限性，體會人類對自然界的探索是不斷深入的;②初步了解相對論時空觀（初步了解長度收縮效應和時間延緩效應）。

選修3的要求：①知道相對性原理和光速不變原理;②能利用公式解釋長度收縮效應和時間延緩效應;③知道愛因斯坦質能方程的意義。

我國現(xiàn)行有六個版本的高中物理教科書，分別由人民教育出版社（2010年）、人民教育出版社（2019年）、山東科學技術出版社、上?？茖W教育出版社、廣東教育出版社、教育科學出版社出版，下文中分別簡稱人教版（舊版）[3]、人教版（新版）[4]、魯科版[5]、滬科版[6]、粵教版[7-8]、教科版[9]。人教版（新版）是根據(jù)2017版《課程標準》編訂的基于物理學科核心素養(yǎng)的系列高中物理教科書，其中必修2中涉及到了“狹義相對論”的知識。人教版（新版）必修2只對相對論進行了初步介紹，簡單描述了狹義相對論的時空觀，采用定性分析后直接給出公式的方式介紹了長度收縮效應和時間延緩效應。這是適合于絕大部分學生的教學內(nèi)容，但是對于一部分高中生來說（如對狹義相對論感興趣的學生、有能力參加高校自主招生或物理競賽的學生等），這些是遠遠不夠的。2017版《課程標準》在選修3模塊中對“狹義相對論”提出了更高層次的要求，但是選修3模塊是由學校自主考核，目前出版的人教版（新版）系列教科書并不包括選修3部分。國內(nèi)其他版本的高中物理教科書都是依據(jù)2003版《普通高中物理課程標準（實驗）》編訂的，且“狹義相對論”部分知識點的選取存在著較大的差異。所以，本文分析了國內(nèi)外具有代表性的高中物理教材，對“狹義相對論”進行內(nèi)容重構并提出教學建議，為更系統(tǒng)、深入地進行高中物理“狹義相對論”教學提供可供參考的文本。

2 ? ?中外高中物理教材“狹義相對論”知識點分析對比

本文選取了中、美、英、德四國的高中物理教材，對其“狹義相對論”內(nèi)容進行分析對比。教材選取情況如下：中國現(xiàn)行六個版本的高中物理教科書（必修2和選修3涉及“狹義相對論”部分）、由美國物理教科書改編的《Physics Principle with Applications》[10]（國際版，下文簡稱AP教材）、英國物理教科書《New Understanding Physics for Advanced Level》[11]（下文簡稱A Level 教材）以及由上海教育出版社出版的根據(jù)德國卡爾斯魯厄物理教科書翻譯改編的《KPK物理高中精編版》[12]（下文簡稱KPK教材）?！禤hysics Principle with Applications》（國際版）是根據(jù)美國高中物理教科書《Physics Principle with Applications》改編的適用于美國AP課程及AP考試的國際版教材，此教材定位與本文想要探求的更深入、系統(tǒng)的“狹義相對論”教學相吻合。英國和德國都是教育體制發(fā)達的國家，兩國很早就進行了一系列的教育改革，研究這兩個國家的教材，也有利于吸收先進的教育理念進行高中物理“狹義相對論”教學。

2.1 ? ?知識點選取情況

“狹義相對論”內(nèi)容多且復雜，高中物理教學應該挑哪些知識教給學生，以怎樣的形式教給學生，這些都是需要探討的。筆者研究了本文所選高中物理教材“狹義相對論”的相關知識點，將涉及到的主要知識點歸納如下：伽利略相對性原理、邁克爾遜-莫雷實驗、狹義相對論兩條基本原理、洛倫茲變換、同時的相對性、時間間隔的相對性、長度的相對性、狹義相對論速度變換公式、絕對時空觀、相對論時空觀、相對論動量、相對論質量、質能方程。

表1是中外高中物理教材“狹義相對論”部分的知識點選取情況，總共有13個。

2.2 ? ?知識點分析

由表1可知，本文所選教材沒有一本包含所列舉的全部13個知識點。其中，滬科版包含的知識點最多，為12個;人教版（舊版）、粵教版包含11個知識點;教科版、美國AP教材包含10個知識點;魯科版包含9個知識點;人教版（新版）包含7個知識點;A Level教材包含6個知識點;KPK教材包含4個知識點。狹義相對論兩條基本原理、時間間隔的相對性、長度的相對性是全部教材都包含的知識點，這也是“狹義相對論”的核心內(nèi)容;大部分知識點都在一半以上的教材中出現(xiàn);但是某些知識點，如洛倫茲變換、相對論動量，只在某一本教材中出現(xiàn)。

基于2017版《課程標準》，出于為高中物理“狹義相對論”教學提供更系統(tǒng)、深入的參考文本的目的，筆者將對全部13個知識點進行分析，進行高中物理“狹義相對論”內(nèi)容重構。

2.2.1 ? ?伽利略相對性原理

伽利略相對性原理在本文所選的教材中有6版都有所涉及。伽利略相對性原理是對經(jīng)典力學規(guī)律的概括與延伸，并且是引出經(jīng)典力學與“麥克斯韋電磁理論”光速不變矛盾的基礎，有利于學生理解狹義相對論的由來，應該將其包含在高中物理“狹義相對論”教學內(nèi)容中。

2.2.2 ? ?邁克爾遜-莫雷實驗

邁克爾遜-莫雷實驗有力地支持了光速不變原理，且有利于讓學生認識到科學假設應基于實驗事實基礎之上，應將其包含在高中物理“狹義相對論”教學內(nèi)容中。

2.2.3 ? ?狹義相對論兩條基本原理

狹義相對論兩條基本原理——狹義相對性原理和光速不變原理是“狹義相對論”的基石，毋庸置疑，每本介紹“狹義相對論”的教材都會涉及到此知識，必須包含在“狹義相對論”教學內(nèi)容中。

2.2.4 ? ?洛倫茲變換

洛倫茲變換是“狹義相對論”中最基本的關系式，“狹義相對論”中的許多運動學結論和時空性質都可以由洛倫茲變換推導得出，洛倫茲變換對于系統(tǒng)地理解“狹義相對論”具有重要的作用。但是，在本文選取的這9版教材中，卻只有滬科版涉及到了此知識，且只給出了公式，并沒有用此公式推導相關結論。雖然由狹義相對論兩條基本原理推導洛倫茲公式的過程不在高中所學范圍之內(nèi)，但是洛倫茲變換關系式的數(shù)學形式比較簡單，且由洛倫茲變換推導出同時的相對性、動鐘變慢、動尺收縮等結論時涉及到的推導過程以及在此過程中運用到的數(shù)學知識也并不復雜，沒有涉及到超綱的知識，是完全可以被高中生理解和接受的。所以，建議將洛倫茲變換知識點加入高中物理“狹義相對論”教學，采取定性分析、直接給出洛倫茲變換公式、由洛倫茲變換公式推導相關結論的教學形式，這也為實現(xiàn)2017版《課程標準》選修3中的要求“②能利用公式，解釋長度收縮效應和時間延緩效應”奠定了基礎。

2.2.5 ? ?同時的相對性

同時的相對性是狹義相對論的基本結論之一。雖然本文所選取的教材中有兩版不包含此知識點，但筆者認為此結論是重要的，而且有利于學生循序漸進地理解時間延緩效應，應該包含在“狹義相對論”教學內(nèi)容中。

2.2.6 ? ?時間間隔的相對性、長度的相對性

時間間隔的相對性、長度的相對性是“狹義相對論”最重要的結論，本文所選取的教材也全部都包含這兩個知識點。所以，這兩個知識點也是“狹義相對論”教學必須包含的。本文所選大部分教材用定性分析后直接給出結論的形式呈現(xiàn)相關知識點，基于讓學生更深刻地理解此結論，更深入、系統(tǒng)地了解“狹義相對論”的目的，建議采用定性分析加定量分析的形式呈現(xiàn)并進行相關教學。

2.2.7 ? ?絕對時空觀、狹義相對論時空觀

絕對時空觀和狹義相對論時空觀不算是具體的“狹義相對論”的知識點，所以國外的教材并不包含這兩個知識點。但是，國內(nèi)高中物理教學強調(diào)物理觀念的形成，尤其是2017版《課程標準》頒布后，更是將物理觀念列為學生的物理學科核心素養(yǎng)之一，因此建議將這兩個知識點作為總結性結論呈現(xiàn)在“狹義相對論”教學內(nèi)容中。

2.2.8 ? ?狹義相對論速度變換公式

狹義相對論速度變換公式也是狹義相對論的重要結論之一，本文所選的9版教材中，有7版都涉及到了此公式。根據(jù)此公式可以推導出光速不變、光速最大等結論，表明狹義相對論的邏輯自洽性，因此，建議將此知識點包含在“狹義相對論”教學內(nèi)容中。

2.2.9 ? ?相對論動量、相對論質量

相對論質量、相對論動量的推導比較復雜，本文所選教材都是直接給出相關結論，且相對論動量只在AP教材中提到。相對論質量、動量、能量相互聯(lián)系，為了讓學生更全面地理解“狹義相對論”，建議將相對論質量、相對論動量包含在“狹義相對論”教學內(nèi)容中。

2.2.10 ? ?質能方程

質能方程是“狹義相對論”的一個非常重要的公式，是對近代物理和科技產(chǎn)生巨大影響的一個著名公式。本文所選教材大部分都涉及到了此公式，此知識點應該包含在“狹義相對論”教學內(nèi)容中。

3 ? ?高中物理“狹義相對論”部分內(nèi)容重構建議

基于以上對中外高中物理教材“狹義相對論”知識點的對比和分析，為實現(xiàn)更深入、系統(tǒng)地進行高中物理“狹義相對論”教學的目的，筆者在人教版（舊版）選修3-4第十五章“相對論簡介”的基礎上，對其“狹義相對論”部分內(nèi)容進行了內(nèi)容重構。

“狹義相對論”內(nèi)容可分為三節(jié)：

第一節(jié)“相對論的誕生”，包含知識點：伽利略相對性原理、邁克爾遜-莫雷實驗、狹義相對論兩條基本原理;

第二節(jié)“狹義相對論時空觀”，包含知識點：洛倫茲變換、同時的相對性、時間間隔的相對性、長度的相對性、絕對時空觀、狹義相對論時空觀;

第三節(jié)“狹義相對論的其他結論”，包含知識點：速度變換公式、質量公式、動量公式、質能方程等。其結構如圖1所示。

4 ? ?結 ?語

“狹義相對論”是現(xiàn)代物理學的兩大支柱之一，高中物理進行“狹義相對論”教學具有重大的意義。然而，由于“狹義相對論”知識脫離學生的傳統(tǒng)經(jīng)驗，又與經(jīng)典力學知識相矛盾，所以大部分教師并不知道如何有效地進行相關教學，尤其是不知道如何深入、系統(tǒng)地給學生講解“狹義相對論”的相關知識。本文基于此進行了相關的內(nèi)容重構，希望可以為高中物理“狹義相對論”教學提供可供參考的文本。對待“狹義相對論”的教學，高中教師更應該不畏困難，理解其精髓，這樣才能將相對論知識更好地教給學生，讓學生了解“狹義相對論”。