高中物理中广义相对论基本观点的讨论，本文主要内容关键词为：高中物理论文,观点论文,广义相对论论文，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。
物理学是一门基础自然学科，近代物理学的发展带动了整个科学和技术的发展。作为中学教育，高中物理课程需要反映物理学的最新发展成果。因而，在《普通高中物理课程标准（实验）》中，对相对论的内容提出了要求，特别是对广义相对论提出：“初步了解广义相对论的几个主要观点以及主要观测证据。”[1] 广义相对论可以看作对狭义相对论的一种推广，或者说狭义相对论描述了广义相对论中的一种特殊情况。但是，在大学物理中，狭义相对论的内容在力学和电动力学中都会有所涉及，而广义相对论的内容则很少会讲到。因此，很多教师并没有系统地学习过广义相对论的相关内容，就很难把握广义相对论的核心内容，因而在教学中就会出现各种困惑。 高中物理教科书中涉及的广义相对论的内容主要包括“广义相对性原理”和“等效原理”，以及广义相对论得到的几个实验结论——光线偏折和引力红移等。广义相对性原理作为狭义相对论中的相对性原理的推论，还是比较容易理解的。但是，要理解等效原理就相当困难了。下面从等效原理的表述与应用和等效原理对广义相对论的意义两方面进行讨论。 二、关于等效原理的讨论 理解等效原理的困难主要在于两个方面：一是等效原理本身的表述，二是应用等效原理解释广义相对论的现象。 （一）等效原理的表述 首先，关于等效原理的表述并不是唯一的。这给人们（不仅仅是初学者，也包括一些专业的相对论研究人员）理解等效原理造成了相当大的困难。实际上，等效原理分为弱等效原理、爱因斯坦等效原理和强等效原理。一般提到的等效原理指的就是爱因斯坦等效原理，而弱等效原理就是常说的引力质量等于惯性质量，至于强等效原理则需要考虑系统中的物体自身所激发的引力场。针对讨论的问题不同，研究者往往会选取相应的等效原理进行分析。 然而，即使只对爱因斯坦等效原理来说，表述上也有可能不同。在人民教育出版社出版的教材中，等效原理表述为：一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。 为了让学生能够理解等效原理，教材介绍了一个理想实验：“假设宇宙飞船是全封闭的，航天员与外界没有任何联系，但是他观察到，飞船内没有支撑的物体都以某一加速度落向舱底。这是为什么？这可能是由于飞船处于某个星球的引力场中，但也可能飞船正在远离任何天体的空间加速飞行。后者的现象就像在加速前进的火车中，水平桌面上的小球不受水平方向的力也会加速运动。” 教材的这种介绍是比较简洁的，但是对于抽象能力不够的学生来说，则可能还是存在困难。在《物理学的概念与文化素养》[2]一书中，采用了8幅图画分别讨论了相对电梯静止的观察者在有重力星球表面电梯加速和静止两种情况、在加速运动的火箭中自由下落的石头和水平抛出的石头等各种不同情景下等效原理的表现。这样详细的处理更有助于学生理解等效原理。 在《物理学的概念与文化素养》一书中，为了分析在加速运动的火箭中自由下落的石头的运动，采用了等效原理的另一种表述方式：（靠近星球）自由下落的电梯内的一切物理实验都与远离星球的惯性飞船内的实验结果一样。当采用这种表述方式的时候，就可以将狭义相对论的结论直接用于自由下落的电梯中。而在第一种表述中仅仅是将引力场与加速参考系做了等效，并没有解决如何从惯性系推广到非惯性系的问题。 关于等效原理还需要特别注意的是，加速参考系所处的时空仍然是平直的，而引力场的时空是弯曲的，这两者并不等价。在加速运动参考系中的观测者感受到的“引力”，是一种空间的弯曲。这就好像一个用纸卷成的纸筒，纸筒的剖面是一个圆形，而一个球的剖面也是圆形，但是纸筒展开就变成了一个平面，而球则不会变成平面。这里的圆筒就好像是加速参考系的时空，而球就好像是存在引力的时空。所以，等效原理在一定程度上混淆了时空的弯曲。 （二）应用等效原理分析光线偏折现象 在人民教育出版社出版的《普通高中课程标准实验教科书·物理（选修3-4）》中，通过图1描述了一个匀加速直线运动造成光线偏折的理想实验。[3] 由于学生很少思考参考系变换的问题，因而在对这个理想实验的理解上就会出现问题，需要更加详细的说明。 1.对于“船外静止的观察者认为这束光是沿直线传播的”。图1是以飞船为参考系画出的，并没有显示飞船外静止的观察者所观测的情况。对于飞船外静止的观察者来说，这束光就是垂直于飞船运动方向的一条直线，而由于飞船在运动，很难直接画在图上。在《物理学的概念与文化素养》一书中，通过将飞船在不同时间的三幅图画在一起的方式，展现了这个过程。图2就是简化后船外观察者观测的情况。 2.有学生认为图中左壁上是一个光源，而实际上这里表示的是飞船上的一个孔（这里确实容易产生误解）。那么，如果确实是从飞船上的光源发出的光，将是什么情景呢？对于飞船外静止的观察者来说，由于是惯性参考系，所以光的径迹仍是一条直线，只不过由于飞船在运动，因而并不是与飞船垂直的水平线，而是一条斜线。而在飞船内部看来，则是如图3所示的曲线。
