中学物理教学应该融入天文学的知识，本文主要内容关键词为：天文学论文,知识论文,中学物理教学论文，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。
世界各国的中学教育，都包含一些天文学内容.国外的初中，大都采用综合理科（《科学》课）教学，其中天文学知识占有相当的比重.许多国家在高中物理教材中，也含有天文学的内容，有些国家甚至把天文学作为中学的一门独立课程来开.但是，我国的中学教育中天文学知识讲授得很少，只在地理课中出现一点，而物理教材中很少出现.
事实上，物理学的发展与天文学密不可分，许多重要的物理定律都与天文学密切相关.现代自然科学的诞生，就是以哥白尼发表“日心说”为标志的.物理学的奠基人伽利略对天文研究有极大贡献.他不仅大力宣传日心说，而且首先发现了太阳上的黑子，月亮上的环形山，土星的光环以及木星的4颗卫星.木星与它的卫星，俨然构成了一个小的“太阳系”，这一发现，使“日心说”变得更加令人信服.他还发现，天上呈现为带状的银河，不过是密密麻麻的无数颗恒星.与伽利略同时代的开普勒是丹麦天文学家第谷的学生，第谷在历史上以观测精确而著称，据说他的观测精度比哥白尼高出20倍.第谷的不足之处是反对哥白尼的日心说，但另一方面他重视观测事实，一再教导开普勒理论必须符合观测的实际.同时给开普勒留下了大量精确的天文观测资料.开普勒扬弃了老师的错误观点（地心说），接受了老师的正确教导（理论联系实际），在第谷的精确观测资料的基础上，总结出了著名的行星运动三定律.这些定律相当精确地描述了太阳系中的天体运动.伽利略和开普勒的上述发现，大大深化了人类对宇宙的认识，并为物理学的发展奠定了基础.
正是在开普勒三定律的基础上，牛顿总结出了万有引力定律，从万有引力定律出发，可以精确地计算出行星运动的轨道.英国科学家哈雷用万有引力定律预言了彗星的回归，这不仅验证了万有引力定律的正确，而且破除了人们对彗星的迷信和恐惧.历史上几乎没有一个民族认为彗星的出现是吉利的事情，人们总是把彗星与战争和灾害联系在一起.牛顿与哈雷的成就，使人们认识到彗星不过是太阳系中的一种天体，与灾害和命运毫无关系.
20世纪最重大的科学发现是相对论和量子论.相对论分为狭义和广义两个部分.狭义相对论主要描述宏观物体的高速运动.动尺收缩、动钟变慢、质能关系（
）和双生子佯谬，都是狭义相对论的结论.广义相对论则是万有引力定律的推广，是现代黑洞理论与宇宙学的基础.爱因斯坦本人最引以自豪的成就是他的广义相对论.他曾说过，“狭义相对论如果我不发现，5年之内就会有人发现，广义相对论如果我不发现，50年内也不会有人发现.”
广义相对论认为万有引力不是真正的力，而是时空弯曲的表现.自由落体运动，在经典物理学中是一个加速运动，是质点在地球引力作用下的加速运动.在中学教学中更是把这种运动作为匀加速直线运动的典型例子.但在爱因斯坦的广义相对论看来，万有引力不是力，“自由落体”没有受到任何力，所以它的运动是惯性运动.行星绕日运动，在经典物理学中也是一种加速运动，是在万有引力定律和牛顿第二定律支配下的运动.我们可以依据上述两条定律仔细地算出行星绕日运动的轨道.但是在爱因斯坦看来，万有引力不是力，行星没有受到外力，它绕日的运动是惯性运动.那么，为什么行星不走直线，而是绕日运动呢？这是因为太阳的存在，造成了时空的弯曲.弯曲时空中没有直线，但有测地线，它是直线在弯曲时空中的推广.粗略地说，测地线是弯曲时空中两点间最短的一条线（对“超光速”运动）或最长的一条线（对“亚光速”运动）.一个质点从A点运动到B点，可以有无穷多条路线.由于质点速度不能“超光速”，只能低于光速，这些路线中没有最短的一条，但有最长的一条.这一条就是测地线，它是弯曲时空中的“直线”.不受力的质点（万有引力不是力）例如绕日运动的行星，或地球上的“自由落体”，就是沿这种测地线做惯性运动的.换句话说，行星运动的轨迹，“自由落体”的轨迹，都是时空中的测地线.
科学史上一件有趣的事情是，伽利略在提出惯性定律时，曾经把匀速圆周运动和匀速直线运动一起归结为惯性运动.后来的力学研究表明，匀速圆周运动肯定不是惯性运动，伽利略在这个问题上犯了一个错误.但是，伽利略当时是想将行星绕日运动归结为惯性运动，以便说明为什么行星能够永远不停地绕日转动.他误以为行星轨道是正圆，结果犯了错误.今天，我们已从天文观测和开普勒定律知道，行星绕日的轨道不是正圆，而是椭圆.从广义相对论看来，伽利略认为“行星绕日运动是惯性运动”的猜测，倒是正确的，而且可以说是“天才”的.
广义相对论是比万有引力定律更精确的定律.它已被引力红移、光线偏折和行星近日点的进动等观测所证实.
宇宙中最神秘的天体莫过于黑洞.黑洞是广义相对论预言的天体.它是时空弯曲得比较厉害的地方，以至于这种天体发的光都被“弯”了回去，不可能被外面的人看到.也就是说，人们几乎不能得到黑洞内部的任何信息，除去它所带的总电荷、总质量和总角动量之外.黑洞内部存在“奇点”，那是时空曲率为无穷大的地方.除去奇点之外，黑洞内部都是真空.所以，黑洞虽然有个表面，但穿越这个表面落入黑洞的飞船，不会有什么特别感觉.当然，一旦进入黑洞，它将休想再逃出来.霍金等人通过物理理论的研究，指出黑洞有温度和熵，熵与黑洞表面积成正比.英国科学家彭若斯和霍金还断言，黑洞内部的“奇点”是时间终结的地方.他们提出的奇性定理指出，真实的时空中一定存在奇点.也就是说，真实的时空中一定存在时间有开始或结束的过程.“时间是否有限”是千百年来哲学家和神学家争论的观点，现在物理学介入了这一争论.上述震惊科学界的发现，使黑洞成为现代物理学和天文学研究的一个焦点.理论研究和天文观测都表明，最后确认“黑洞存在”的时间，已经为期不远了.
宇宙膨胀理论是广义相对论和量子论大显身手的另一个领域.研究表明，我们的宇宙在“大爆炸”中产生，起初处于高温状态，然后逐渐膨胀降温，形成今天的物质“均匀”分布的宇宙.这个宇宙仍处于膨胀中，它的体积可能是有限的，也可能是无限的，但肯定是没有边的.远方星系的红移、宇宙中氦元素的含量、3K微波背景辐射（大爆炸的余热），都支持了上述宇宙模型.近来报纸和电视中经常提到的暗物质问题，就是为了研究确定，宇宙体积究竟有限还是无限，宇宙未来会如何演化.目前我们观测到的宇宙中的物质密度是较小的，这表明宇宙的体积应该是无限的，未来将会永远膨胀下去.但是，天文观测同时发现，宇宙的膨胀是减速膨胀，而且速度减得还比较快.这样看来，宇宙体积则应该是有限的，而且膨胀将会转化为收缩.上述两种结论相互矛盾，因此不少人猜测，宇宙中可能存在大量观测不到的暗物质.于是寻找暗物质成为了物理学和天文学研究的又一个热点.
总之，无论在历史上还是在现代，物理学都与天文学密不可分.因此，在物理教学中，融入天文学的知识，应该是顺理成章的事情.
在中学教育中加入天文学的内容，对于破除迷信，开阔眼界，树立科学的世界观也很重要.一个有趣的例子是，虽然不少人（包括部分高级知识分子）曾经迷信法轮功，但天文界却几乎一个也没有.
天空中那耀眼的太阳、皎洁的月亮，那浩瀚夜空中的万点繁星，非常容易引发青少年的好奇心与幻想.特别是在人类拥有望远镜、人造卫星和宇宙飞船的今天，报刊、书籍和电视不断报导各式各样的天文信息，展现越来越多的宇宙奥秘，这些东西能够极大地激发青少年对自然科学的兴趣，而强烈的兴趣和求知欲，是青少年成才的最好动力.一位学者曾经指出，“毅力、勤奋、入迷和忘我的出发点，实际上在于兴趣.有了强烈的兴趣，自然会入迷.入了迷自然会勤奋、有毅力，最终达到忘我.”
不久的将来，我国将发射载人宇宙飞船，还将进一步探测月球与火星.21世纪将是人类大规模探测太阳系的世纪.有关的科学进展，必将极大地振奋我国青少年的民族精神和科学探索的热情.
综上所述，在中学教育中加入天文学内容是十分重要的.遗憾的是，在我国的中学教育中，天文学的内容少得可怜，只在地理教学中涉及到一点，在物理教材中几乎没有.实际上，现代天文知识距离物理学较近，距离地理学较远.地理老师讲解现代天文知识，较之物理老师存在更大的困难.
在最近教育部组织的课程改革中，我们在初中《科学》（综合理科）课程标准中，列入了一些天文学内容，并写进了试验教材，其中包括星空、太阳系、银河系、恒星演化和宇宙演化等.这是一次重要的尝试.但是，在分科教学的标准中，如何引入天文学内容，还有待进一步探讨.