狭义相对论高中阶段教学体会，本文主要内容关键词为：狭义相对论论文,阶段论文,高中论文，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。
狭义相对论从两个基本假设出发，通过严格的逻辑推导得出洛伦兹变换，建立了不同惯性系之间时间坐标、空间坐标的换算关系，使人们抛弃了时间和空间没有关联的绝对时空观。应该说对洛伦兹变换进行推导，做一些时空坐标在不同参考系中转换的习题，是对狭义相对论形成比较深入认识的必要环节。由于高中阶段只要求学生借助教材上提供的典型物理模型初步体会狭义相对论的时空观，知道狭义相对论的几个结论，课时又少，所以必须绕过洛伦兹变换。这对教学提出了很高的要求，要取得预期教学效果，教学中应做到讲清基本概念、把握“绝对性”与“相对性”、理顺逻辑关系。
一、讲清基本概念
狭义相对论中涉及参考系、时间、空间、事件、测量值等概念。对于“参考系”，应该强调参考系是众多保持相对静止的物以及这些物的相对位置构成的“空间”，它们形成了描述其他物如何运动的背景。对于“时间”，要强调万事万物都是运动变化的，时间正是这种变化节律的体现，可以介绍铯原子钟，并让学生去想象寿命很短的微观粒子的产生和消亡，波的周期和频率等，从而感受宇宙变化过程的节律，体会到离开事物的发展变化谈时间毫无意义。对于“空间”，要注意以前学生是先有了长度的概念，然后通过长度和时间来建立速度的概念，现在则可以诱导学生换个思维去理解长度，既然光速具有绝对性，那么时间和空间之间存在一个比例系数，时间也可以用来表示长度，例如光年是长度的单位，但直观上就是光行走一年的距离，这样让学生感受到时间也可以作为闵可夫斯基空间的一个维度，从而一定程度上理解四维空间的概念。对于“事件”，要区分事件和事情的不同含义，要强调宇宙中客观发生的某件事情，是一种客观存在，不管选择什么参考系，所描述的事情一定发生了，只是不同参考系对于这个事情发生的地点和时间有自己的描述，即一组不同于其他参考系的时空坐标，对于同一个参考系而言同时同地发生的不同事情既然有同一组时空坐标，我们称这些不同事情是同一个事件，因此一个事件就是一组时空坐标。对于“测量值”，很多学生认为光以有限速度传播导致测量值与真实值之间必然存在误差，这是一种误解。其实当我们谈到某个参考系中两个事件的时间间隔和空间距离等的测量值时，就是这个参考系认为的真实值。
二、把握“绝对性”与“相对性”
把握“绝对性”就是把握“本征长度”“本征时间”“本征质量”“闵可夫斯基空间时空间隔”的含义。要让学生知道，不同惯性参考系对于宇宙的描述是不同的，对于事物的尺寸，事件发生的时间间隔，物体的运动情况，物体的质量，宇宙能量分布状况的判断都不一样，但不同参考系根据自己测量值总结的物理规律表达式是相同的。只有当我们相对于某物静止时对它长度的测量值才是物体的固有长度，反映了该物的客观属性，定义为该物的“本征长度”，其他参考系的测量值都小于这个值。相对于某物静止时对其质量的测量值是最小的，定义为该物的“本征质量”，也是反映该物的客观属性的，也不因参考系而改变。相对于某物静止时观察某物的发展变化，该物两个状态之间的时间间隔定义为“本征时间”，其他参考系的测量值都大于这个值。不同参考系对于两个事件发生的时间间隔和空间位置的判断不相同，但两个事件时间和空间因素同时考虑的“闵可夫斯基空间时空间隔”是绝对的。
把握“相对性”就是要强调狭义相对论的核心在于揭示相对运动的两个参考系（注意一个参考系就是相对静止的一组物体）对对方描述的相对性，这时一定要学生在思维中彻底忘记恒星系、银河系、太阳系、地球等客观实在，建立起相对匀速运动的两个参考系地位完全相同，没有更为特殊的第三者来评判结论的物理情景。这时，一个参考系对另一个参考系的测量值与另一个参考系的本征值是不一样的，也就是出现了“尺缩效应”“钟慢效应”，通俗点说，就是观察到另一个参考系中的物体沿运动方向的长度偏短，事物演化发展偏慢。同时，另一个参考系观察这个参考系会有同样的感觉。那种“地球是低速宏观物体，所以相对论效应不明显，微观粒子速度接近光速，相对论效应明显，所以寿命变长了”，从而暗示在狭义相对论中存在地位特殊参考系的说法对于正确理解狭义相对论是有害的。其实粒子的“本征寿命”并没有变化，而且站在粒子的角度看，对地球的描述当然也有同样明显的相对论效应。可见相对论效应是两个参考系之间的“相对效应”，与第三者无关，就像摩擦力的方向只取决于两个物体的相对速度方向或相对运动趋势方向一样。此外要让学生知道两个参考系的相对速度不可能超过光速，相对论效应是否明显取决于两个参考系之间的相对速度接近光速的程度。
三、理清逻辑关系
狭义相对论中某个事件的时间空间坐标是相依相存的，换个参考系观察，得到的新时间坐标或空间坐标与原来的时间和空间坐标值都有关系，单纯从时间入手或从空间入手进行讲解都会导致逻辑混乱和错误认识，这就是狭义相对论教学难的症结所在。例如爱因斯坦火车模型说明“同时”的相对性时，该模型的解释是光前后两个方向的速度相等，后壁向前运动，所以后壁先照亮。
图1
这时学生自然会认为照亮前壁的时间
，照亮后壁的时间
，先后照亮的时间差
。学生产生这种错误想法的根源在于牢固的时空分离观念，所以这里老师要强调站台上的人观察到火车的长度也发生了变化，因此时间差的具体值的计算不能按照上式进行，但先照亮后壁的结论是成立的。
接下来应该把上述思维结论扩展为一个更具普遍性的中间结论——即对于乙参考系中若干个不同地点的同时事件，相对于乙运动的甲认为这些事件是不同时的，甲认为按运动方向排列的事件越前方的事件越早发生；反之，甲认为同时发生的事件，越前方的事件对于乙而言发生越晚。
以此作为下一步理解的逻辑立足点，解释课本（人教社选修3-4）关于尺缩效应的对话就比较容易了。首先告诉学生“读数”就是一个事件，地面观察者相对火车向左运动，M点在N点的左方，也就是运动方向的前方，地面观察者认为同时发生的事件，火车上的人认为M点发生的事件晚发生，所以火车上的人看到地面观察者先对N端读数，自然也就知道地面观察者的测量值小于杆长的本征值。
解释钟慢效应时也可以从中间结论出发。相对于乙运动的甲认为发生在乙中同一地点的两个事件是发生在不同地点的，后发生的事件排列在运动方向后面，所以甲对该事件判断发生的时刻比乙判断发生的时刻要晚。这样，对两个事件的时间间隔的判断上，甲觉得时间间隔长，而乙觉得时间间隔短。也就是说，对于某个参考系而言，发生在同一地点的两件事的时间间隔用该参考系的钟测量结果是最小的，其他参考系的钟测量该时间间隔的结果都偏大，因此其他参考系都认为该参考系的钟走得慢。相对论毕竟是两个相对运动参考系之间的相互关系，所以上升为一般规律就是：以自身为标准，所有相对自身运动的参考系的钟都走得慢。通过上述讲解，无需复杂的数学变换，学生在建立的中间结论基础上就能理清逻辑关系，正确掌握狭义相对论的基本结论。
实践表明，高中阶段教学只要高中任课教师做好讲清基本概念、把握“绝对性”与“相对性”、理顺逻辑关系三点，即使老师不进行洛伦兹变换的推导，学生也能正确理解狭义相对论的基本内涵，并能运用狭义相对论的结论去解决简单问题，达到预期的教学目标。