关于“时间和空间的相对性”的教学建议，本文主要内容关键词为：相对性论文,建议论文,时间论文,空间论文，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。
在高中物理新课程改革中，课程标准首次将有关“相对论”内容列入其中，以加强课程内容与科技发展的联系，达到拓展学生视野、激发探索兴趣的目的，体现了课程内容鲜明的时代特色。基于这一要求，人教版《高中物理选修3-4》在第15章“相对论简介”中，着重对第2节“时间和空间的相对性”进行分析，简要介绍相对论时空观。但因牛顿的绝对时空观在人们头脑中已经根深蒂固，因而学生极易陷入认识上的误区，具体表现为：“在相对论中，一切都是相对的”。那么，如何消除这一错误认识，笔者建议从以下3个方面进行。
一、从总体上把握狭义相对论的本质
相对论，顾名思义，就是强调物体间运动的一种相对关系。那么，能否认为一切都是相对而不存在绝对的内容呢？搞清这一点，对于刚刚涉及“相对论简介”教学的中学教师而言是至关重要的，为此我们先从哲学角度初步认识其本质。
唯物辩证法告诉我们：绝对和相对是辩证的统一体。没有绝对，就没有相对，没有相对，也就无所谓绝对。绝对存在于相对之中，并通过相对体现出来；在相对中有绝对，并以绝对背景的存在为前提，离开绝对的相对是没有的。由此可见，倘若没有某种不变性，我们就不能客观地认识时间和空间；反之，要真正认识相对论，就要从其中的相对性出发，探究它所包含的不变的、绝对的内容。
实际上，相对论早期最得力的支持者普朗克一直热衷于揭示相对论中的绝对内容。他曾指出：“我最感兴趣的问题总是探索一种绝对的东西。这似乎和我对相对论感兴趣是矛盾的，但这种判断是有原则错误的，因为相对本身就必须以存在绝对为前提，……在相对论的原理中就有某种绝对的东西……所以，特别引人的课题正是去寻找那个赋予它真正意义的相对中的绝对的东西。”
闵可夫斯基也注意到了这一点，他在最早引入的四维时空几何描述方法中，用图上的一个点表示“客观的”空时点，它的不同投影代表不同惯性系中的空间—时间坐标。由此他强调相对论其实是基于“绝对”时空的理论。辛尔(J.L.Synge)等人也指出：相对论实际上是绝对论。福德(F.W.Ford)更是把相对论概括为“关于自然界不变性的理论”。
由此可见，对于狭义相对论本质的认识，不能仅仅局限在对空间、时间等具有相对性的认识上，更要清楚它在揭示空间、时间等具有相对性的同时，揭示了更多、更新的绝对性。
在教学中，也应该适当地向学生灌输上面的唯物辩证法思想，使得学习过程有的放矢，不被相对论中的“相对”所迷惑，这是消除这种错误认识的重要环节之一。
二、具体揭示狭义相对论中蕴含的辩证关系
在初步了解相对论的本质后，再从相对与绝对的关系出发，具体分析几个典型问题中蕴含的辩证关系，以加深对理论的理解。
1.“狭义相对性原理”中的相对与绝对关系
狭义相对性原理指出：“在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的”。包含了以下两个绝对性因素
(1)所有惯性参考系绝对平权，没有哪一个惯性参考系更特殊、更优越，也即不存在绝对惯性系。
(2)物理规律的绝对性。在不同惯性参考系中，对物理量的测量通常是相对的，也即这些物理量具有相对性，但它们所遵循的规律的数学形式是相同的，也即这些相对量间的关系不随参考系的变化而变化，是绝对的。实际上，在广义相对论中，它把这一相对性原理进一步外推至在任何参考系，指出：“在任何参考系，物理规律都是相同的”，从而把伽利略的相对性原理外推至绝对。2.速度的相对性与光速的绝对性
无论在经典物理还是在狭义相对论中，速度都与参考系的选择有关，也即速度具有相对性。但是狭义相对论的另一条基本假设“光速不变原理”指出：“真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的”，它把光在真空中的传播速度推向绝对地位，包含了以下两层含义：(1)光在真空中的运动是一种绝对运动，不存在相对于光静止的参考系。(2)真空中的光速是绝对的，它与测量时的参考系选择无关。
3.测量量的相对性与其本征量的绝对性
由于相对论存在“时间延缓”“长度收缩”“质量增加”等效应，因而时间△t、长度l、质量m的测量都与惯性参考系的选择有关，具体关系为
式中，v是测量所用参考系相对于钟、尺或质点的速率。△t、l、m这些测量量都是相对的，是时空的基本属性的反映，而它们的本征量
却是绝对的，是用与测量对象相对静止的“钟”“尺”和“秤”测出来的，是反映了物质的客观属性的绝对量。对此，爱因斯坦指出：“依照狭义相对论，空间坐标和时间，就它们可以用静止的钟和物体来直接量度而论，仍然有绝对的特征。”
实际上，对上面3个关系的进一步分析能更直观地理解相对论中“相对”含义。比如：某尺相对于k′系是静止，相对于k系以速度v运动，则在k系中测得的长度为
，其中
是在k′系测得的长度；反过来，如果此尺相对于k系静止，相对k′于系以速度v运动，则在k系测得的长度为，其中是在为k系测得的长度。显然，在这两种情况下所测得的应该相同，因为它都是从相对于尺静止的参考系中测得的，那么当k、k′系以相同速度相对于尺运动时，在其中所测得的长度也是相同的。由此可见，在狭义相对论中，不存在绝对的“长度收缩”效应，同理，也不存在绝对的“时间延缓”和“质量增加”效应，它们是由时空变换引起的，因而只具有“相对”意义。
4.同时的相对性与因果关系的绝对性
根据洛伦兹变换知道，在某一惯性参考系k中观察同时(
)异地(
)发生的两个事件，在另一惯性参考系中观测并不同时，它们间的关系是
由此说明在相对论中，因果关系具有绝对性。
那么，是不是在所有情况下，同时都是相对的呢？为此我们来考查一种特殊情况：A、B两事件在惯性系k中观察是同地
同时的的，则由(2)式可知，在另一惯性系k′中观察时，有
。由此说明在惯性系k系中观察是同地同时的，在另一惯性系k′中仍是同时的，也即同地同时具有绝对性。
通过上面的分析，可以清楚看出，异地同时之所以具有相对性，正是源于光速的有限性；而同地同时之所以具有绝对性，则是源于同地传播光信号不需要时间。如果光速趋于无穷，则有△t=△t′，即同时具有绝对性，至此可以清楚地看出牛顿的绝对时空观的错误所在。
三、注重科学思维方法的渗透
在高中阶段，着重定性阐述有关相对论的现象，其方法是运用光速不变原理对一些理想实验进行定性分析，而对以下3个基本公式
只是给出结论，没有进行推导或验证，其原因是对以上3式严格的推导要用到洛伦兹变换公式。事实上，即使不用洛伦兹变换公式，而通过设计一些较为直观的理想实验，运用光速不变原理，同样能推出上面3式。而且这样安排，能让学生从过程与方法上体会到理想实验这一科学思维方法的重要性，有利于进一步突出2个基本假设的核心地位，尤其是光速不变原理的核心地位。
如图1所示，在一以速度v匀速前进的车厢顶上有一平面镜，正下方有一闪光光源，车顶到光源的距离为h，对火车上的观察者来说，光信号从光源A到平面镜再回到光源所用时间为
图1
对于地面上的观察者而言，光信号从光源A传到镜子的过程中，镜子随火车向前移动到了C点，光源也从A移动到D点，光信号再从镜子反射回光源的过程中，光源已从D移动E，设此观察者测得光信号往返时间为△t，由光速不变原理知，光通过的路程为c△t，则由几何关系得
如图2所示，在一列以速度V做匀速直线运动的火车中，一人用下面方法来测量火车车厢的长度AB。
在A处用信号光源发出一个光信号，光信号到达B后立即返回到A处，他测得光信号往返一次所用时间为△τ，故此人认为车厢的长度为
如图3(a)所示，一列火车相对地面以v速度运动，其上一粒子沿火车运动方向运动，相对于火车的速度为u′，相对于地的速度为u，从某一时刻开始，一光子与此粒子同时由车尾向车头运动。
在地面上人看来，光子经时间T到达车头［图3(b)］，在车头处立即反射回来，再经时间t′与向车头运动的粒子相遇［图3(c)］，则由图可知
图3
在火车上的人看来，光子经时间t到达车头，在车头处立即反射回来，再经时间与向车头运动的粒子相遇，则由图4中所示可知
尽管两人对火车长度及光子、粒子的运动时间测量结果不同，但是他们都认为光子、粒子是在火车上的点P相遇，而联系两种情况的纽带是：相遇点到车头的距离与火车长度之比值λ相同。
