物理教学：追求科学和人文的完美融合——“相对论简介”一章的教学体会，本文主要内容关键词为：相对论论文,一章论文,物理教学论文,人文论文,完美论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1905年，年轻的爱因斯坦创立的狭义相对论给世界带来了震惊，10年之后，他又创立了广义相对论。相对论的一个卓越成果是变革了人们的时空观，另一个则是发现了能量与质量的等价。相对论的建立固然是以一些假设为前提，但在逻辑上都经过了严格的推理，要深刻理解它，需要掌握许多深奥的物理理论知识并且具有深厚的数学功底。“相对论简介”这样一个一般物理教师都只能理解皮毛的内容，新教材为什么要补充进来？又该如何实施教学？
如果仅仅是服务于高考，本章教学可以照本宣科、一掠而过，甚至可以完全让学生自学，教师只要负责指导他们去理解、识记一些结论、公式及规律即可（在高考考试说明中，对该章知识点的要求为Ⅰ级）。但是，高中物理教育的功能，在于“养成良好的思维习惯，培养勇于创新、实事求是的科学态度和科学精神”，“尝试应用科学探究的方法研究物理问题、验证物理规律”，“发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探索自然的奥秘”。一言以蔽之，高中物理教育的功能不仅是培养学生的科学素养，同时也致力于学生人文素养的提高。
一、人文教育让物理课堂鲜活起来
科学与人文是支撑起人类文明的两大支柱，它们是相辅相成、不可分离的。新课程倡导将人文教育融入物理课堂，“相对论简介”一章中就有许多这样的素材。
（一）美学
物理之美曾吸引无数人为之奋斗终生，而简洁与和谐是物理美的精华。爱因斯坦的相对论在诞生之初并没有为世人所接受，他1921年荣获诺贝尔物理奖也不是因为伟大的相对论，而是由于他在研究光电效应时提出的光量子理论。相对论以深奥难懂著称，但相对论的一些特殊结论的表达式却是浅显而简洁的。特别让人叹服的是，爱因斯坦用一个最简洁的公式
，就独具匠心地将能量与质量联系了起来。教学中，教师可以引导学生从相对论的几个基本原理出发，通过逻辑演绎推理，将这一深奥的理论简洁、朴素地展现出来，如长度、时间、质量等的相对论效应等都涉及一个十分简洁的γ系数——
。
（二）物理与历史
物理学的发展与人类历史的发展休戚相关，人文历史中有很多科学教育的素材。比如，我国古代天文学家对著名的蟹状星云的观测记录就为近代天文学做出过杰出的贡献，在古籍《宋会要》中就曾记载了一次观测超新星爆发的过程：他们观测到一颗超新星最初于公元1054年5月爆发，昼见如太白（金星），呈红白色，光芒四射，持续了23天。以后渐渐变暗，到公元1056年3月才完全消失（共22个月）。这是历史上有关这颗超新星爆发最翔实的记载，体现了古代中国人民的智慧，同时这也是一个否定伽利略变换的生动事例，可设计成例题辅助教学。
（三）科学探索过程中的人文精神
人类探索自然规律、追求真理的过程充满了艰辛、坎坷和泪水，其中有许多生动有趣、激动人心的感人故事，这本身就是人文教育的好素材。
1.创新是科学发明的第一要素
19世纪末，麦克斯韦的电磁理论已经相当完善，为了让它能与迈克耳孙实验等吻合，很多科学家试图用修正以太理论的方法加以解决，但始终未能取得完美的结果。从现代的观点来看，如果人们的思想一直被“以太”这个物化的绝对时空所束缚，当然不可能建立起新的物理学框架。同样，法国的庞加莱1895年提出了相对性原理，他的许多“天才预见”后来都被证明与爱因斯坦的相对论是一致的，但他只是走到了狭义相对论的边缘，而没有创立相对论，原因就是他也没有跳出绝对时空观的框架。
爱因斯坦进行了开创性的尝试，他摒弃了那虚无缥缈的“以太”，从“真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的”等基本假设出发，创造了崭新的相对论的时空观。普朗克在评价爱因斯坦和以他自己为代表的革命性的思维方法时就说过：“这种新的思维方式远远高于理论科学研究所取得的任何成就。”创新是科学发明的灵魂，是一个民族进步的灵魂。
2.理论与实践的结合是物理发展的前提基础
一个成功的物理理论一定要有实验的支持，同样，一个崭新的、富有创意的实验往往也能催生一个崭新的理论的诞生。密立根就曾说过，“科学靠两条腿走路，一是理论，一是实验。有时一条腿走在前面，有时另一条腿走在前面。但只有使用两条腿，才能前进”。迈克耳孙—莫雷实验观察到了令当时人们惊奇的结果——“光相对于任何观察者的速度都是一样的”，而光速不变原理正是狭义相对论的奠基石。自从相对论诞生至今，许多实验都证实了狭义相对论的结果，这也使狭义相对论日臻完善。
广义相对论的某些结论，如水星近日点的进动、光线在引力场中的弯曲、光谱线的引力红移等已经为实验所证明，但由于科技水平的限制，广义相对论的某些理论还有待进一步的实验验证。不过，目前已有学者提出了其他的引力理论，来解释目前观测到的某些现象。
3.科学探索永无止境
19世纪末期，以经典力学、热力学和统计物理学、电磁学等为主要内容的物理学形成了完整的科学体系，物理学的发展已相当完善了，所以威廉·汤姆孙在1900年展望新纪元时便自豪地宣称：科学的大厦已经基本完成，除了两朵令人不安的“乌云”以外。然而，就是这两朵“乌云”催生了20世纪物理学的革命，其中之一就是相对论的诞生，物理学从此上升到一个新的高度。由于经受了实验的考验，爱因斯坦的相对论获得了巨大的成功，但爱因斯坦于1915年发表其广义相对论的论文时仍肯定宇宙必须是静态的，为此他不得不引入一个所谓的宇宙常量来修正其理论，使静态的宇宙成为可能。而霍金等人正是从广义相对论出发，提出了宇宙大爆炸理论（即宇宙是动态的），霍金也成为继爱因斯坦之后最杰出的理论物理学家。
与所有的物理理论一样，相对论这个伟大的体系也没有完成，但这个体系正面临着来自人类对宇宙观测的最新事实的尖锐挑战，暗物质和暗能量等对相对论就是一个严峻的考验。难怪爱因斯坦在晚年曾写道：当我回顾自己一生的工作时，我发现我提出的概念中没有一个我确信能坚如磐石，我也没有把握自己是否总体上处在正确的轨道。这既是这位科学巨匠的谦逊之词，同时也正表明，科学探索是永无止境的。
（四）物理学中的哲学思想
物理学与哲学颇有渊源，哲学的一个分支就是“科学哲学”，物理学史本身就是极好的辩证唯物主义教材。有许多物理学家同时也是哲学家（特别是文艺复兴时期），爱因斯坦本人就对哲学有极其浓厚的兴趣。同样，“相对论简介”一章中包含了一些朴素的哲学思想，学习并应用这些哲学思想对理解相对论的一些结论很有益处。比如，对公式
的理解：一列高速列车上的观测者认为地面上静物的长度缩短了，而地面上的观测者则认为列车变短了，他们谁正确呢？课本通过一幅插图（见图1）形象地解释：桥在左边还是在右边？那要看是谁在说话。这其中实际上就包含了一个哲学原理：矛盾双方在一定条件下是可以相互转化的。
图1
狭义相对论以光速为极限（即物体不能超光速运动），也可以用哲学上的因果关系来理解：假设我投出一个垒球并打碎了一扇窗户，那么“我投出球”就是“窗户被击碎”的原因。如果超光速是可能的，那么一定会有某种参照系，其中“窗户被击碎”先于“我投出球”发生。这导致各种逻辑冲突（特别是当窗户已经碎了之后又有人截获了飞行中的球，阻止了窗户被击碎），因此可将物体能超光速运行这种可能性排除了。更进一步，因果关系又排除了任何超光速通讯。
二、用想象打开思维的闸门
思维是人脑对客观事物间接、概括的反映过程，培养学生的思维能力是物理课堂不可或缺的教学目标。借助“相对论简介”中的一些典型事例，可以引导学生想象，在想象中发展思维。
（一）转换
理解狭义相对论的基本观点和基本规律，其中的一个重要内容就是参考系的变换，怎样从一个参考系的观察结果去比较另一个参考系的结果，就涉及转换的思维。比如，图2中，地面上的人认为A、B两个事件同时发生，对于坐在火箭中沿两个事件发生地点连线飞行的人来说，哪个事件先发生？
图2
解答思路有多种，最简捷的思考莫过于坐标系的转换：根据运动的相对性，设人（火箭）静止，而A、B系统以速度v向人靠近，在某时刻，A、B中点产生一闪光，显然该闪光先到达B而后到达A，则B事件先发生。
（二）有趣的实验
1887年，为了测定地球绕日运动对光速的影响，迈克耳孙—莫雷设计了一个著名的实验。他们将一束单色光分成互相垂直的两束，一束的传播方向和地球的运动方向一致，另一束和地球的运动方向垂直。
图3
该实验构思十分巧妙：如图3，用一半涂银的平面反射镜（即分束板）将一束由单色光源S发出的光按上述要求分成两束，一束由M至
再返回M，另一束由M至
再返回M，T为观测用的望远镜。
按当初的设想，假设“以太”存在，这两束光应有光程差而产生清晰的干涉条纹。但不论后人怎样尝试，该实验至今也没有观测到干涉条纹。
迈克耳孙—莫雷实验的结果有悖于当初的实验目的，反而为相对论的建立提供了一个物质准备。
（三）四维空间
爱因斯坦相对论的时空观认为，空间和时间与物体的运动状态有关（广义相对论还认为时空与引力场有关）。现实世界中，人们之所以习惯于接受经典的时空观，是因为身处于“低速的世界”，如果有一天，交通工具的速度可以轻而易举地达到或接近光速，那么相对论就容易理解多了。想象可以“弥补”速度的不足。
爱因斯坦建立了一个四维的时空(x，y，z，t)，怎样形象地描述这一四维坐标系呢？可以想象成向空间四面八方放射形成的时间轴加上三维立体坐标系；也可以想象成沿直线的一个球体；还可以想象成一个圆锥面，其对称轴为时间轴，等等。实际上，四维时空是只可意会而不可言传的，无法完美地作出四维坐标，靠的就是想象力。
三、激发热爱科学的兴趣
俗话说，“兴趣是最好的老师”。由兴趣进一步引发的旺盛求知欲将使学生的分析、综合、比较、抽象、概括等思维过程卓有成效。培养学生热爱科学、热爱真理、热爱自然的兴趣是“相对论简介”的一个教学目标。虽然相对论所讨论的情景离一般日常生活尚有一段距离（要求接近光速），但相对论却已真真切切走进了我们的生活，从生活的角度去体会相对论，将给学生带来无穷的乐趣。
（一）GPS与相对论
GPS是全球定位系统的简称，简单地说，GPS就是用若干颗人造卫星为交通工具、地质勘探、航海航空等精确定位。GPS中的接受机的位置是通过测量其与不同卫星的距离而获得的，卫星上使用的是原子钟，精度达
，这么高的精度就必须考虑相对论效应。比如，因为卫星在运动，由于狭义相对论“动钟变慢”的效应，GPS星载钟与地球上的钟相比，每天要慢7.2微秒；又由于地球引力场的存在，使其附近时空扭曲，愈靠近地球，引力愈强，钟走得愈慢，再加上广义相对论效应，GPS星载钟与地球上的钟相比，每天要快46微秒。所以，GPS定位系统必须依据相对论效应进行修正，否则定位将产生较大的误差。
（二）双生子佯谬
相对论发展史上有这样一个经典案例：在地球上出生的孪生兄弟，出生之后哥哥乘坐高速的宇宙飞船出发，经过几十年航行，又回到地球，弟弟去机场迎接，看到的哥哥居然比他年轻得多；但如果站在哥哥的角度，弟弟（连同地球一起）同样是在高速远离宇宙飞船，那就应该是弟弟比哥哥年轻得多。哪一种说法正确呢？似乎都有道理。这就是著名的双生子佯谬。
在双生子佯谬中，人们一般认为地球是惯性系，而哥哥所处的宇宙飞船从出发到返回地球，一定经历了变速的过程，不能看做惯性系，由此认定哥哥变年轻的结论可信，而弟弟比哥哥年轻则没有确实依据。难怪霍金感慨地说：“只有对不理解爱因斯坦时空观的人来说，这才是佯谬。”
四、科学探究贯穿教学的始终
科学探究通常包含提出问题、猜想与假设、设计实验、进行实验、分析与论证、评估、交流与合作等七个要素。课堂教学中的科学探究不一定七个要素面面俱全，哪怕只涉及其中一个要素也可以体现探究的精神，重要的是将探究理念和行为贯穿整个课程。
（一）μ子寿命实验
从变换系数可以看出，只有当两个参考系的相对速度可与光速c相比时，时空的相对性才较为明显。目前符合这一要求的情形更多出现在微观世界中，早期人们对次级宇宙线中的μ子的研究就为狭义相对论提供了实验佐证。
宇宙射线与大气层中的粒子作用产生μ子，μ子可以v=0.995c的速度向下运动，在运动过程中μ子发生衰变，其半衰期为
。有数据记载，在高为h=1981 m的山顶测得某段时间内有
个μ子通过探测装置，而同样条件下在海平面只探测到n=408个μ子，试探究其原因。
【探究】
1.提出问题——海拔高度越向下μ子数越少，这与半衰期有关吗？
4.交流与合作——学生相互讨论：(1)用相对论时空观探究时，除了从半衰期变长这个角度去理解，还有其他途径吗？（从高度h变化、从μ子运动时间变化等都可讨论，本质是参考系选择不同而已。）(2)计算结果与观测结果还有一些差异，可能是哪些原因？（如
的数据是否准确？μ子在飞行过程中会不会与空气中的粒子再次作用？）
（二）回旋加速器与相对论
用回旋加速器为什么不能将粒子的速度加速到很大？有什么样的解决方案？
【探究】
学生设计方案：用计算机控制形盒上的交变电压的频率，使其随粒子做圆周运动周期的变化而变化（匹配）。
教师评估：1945年，苏联的维克斯和美国的麦克米伦分别制成了“同步回旋加速器”，设法使电场的变化和粒子质量增大同步，使能量提高到700～800兆电子伏。1940年，美国物理学家克斯特设计了“电子感应加速器”，利用变化的磁场使电子保持在一个圆形轨道上加速运动。看，大家的设想与科学家的发明不谋而合，看来同学们很有科学发明创造的天赋。
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