高中物理“相对论”教学研究，本文主要内容关键词为：相对论论文,教学研究论文,高中物理论文，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。
相对论和量子论是现代物理学的两大支柱。它的建立是20世纪自然科学最伟大的发现之一，对物理学、天文学乃至哲学思想都有深远的影响，彻底改变了人类的时空观、宇宙观。《普通高中物理课程标准（实验）》明确将相对论作为重要的教学内容，这是对我国高中物理课程的变革，体现了物理课程的时代性。但是，相对论本身难度较大，很多教师大学毕业后长期从事高中物理教学，这部分内容已经生疏了；另一方面，相对论效应和学生的经验相悖，不容易为学生所理解。因此，实际的物理教学中，相对论的教学并没有达到预期的效果。又由于很多省市没有把相对论列为高考考点，所以很多教师在物理选修3-4的教学中，直接略去相对论。笔者认为这样做是不妥的，高中学生至少应该了解相对论的基本思想。那么，相对论的教学应该达到什么样的目标？学生应该学习哪些内容？应该用什么教学方法？本文结合笔者的教学实践和探索，对这几个问题进行了研究。
一、学生眼中的相对论
在相对论教学之前，笔者专门调查了学生对相对论的了解情况。调查发现，所有的学生都听说过相对论，并且知道是由爱因斯坦创立的，但他们不知道相对论到底研究的是什么问题。76.3%的学生知道有狭义相对论和广义相对论之分。2.6%的学生听说过“钟慢尺缩”效应，13.8%的学生听说过“时空弯曲”，但对这些效应，他们并不知其所以然。大多数学生翻过霍金的《时间简史》这本书，但都因为读不懂而搁浅。学生认为相对论很难懂，但他们特别想知道相对论的基本观点和物理意义。在一部分学生心目中，认为世界上能懂相对论的科学家只有几个（这大概与他们道听途说的一些很流行的传闻有关）。几乎所有学生认为爱因斯坦因相对论而获得了诺贝尔物理学奖。这说明学生有学习相对论、了解相对论的兴趣和热情，但同时存在着诸多误解。
二、高中阶段相对论的教学目标
《普通高中物理课程标准（实验）》对相对论的要求有4点[1]：（1）知道狭义相对论的实验基础、基本原理和主要结论；（2）了解经典时空观与相对论时空观的主要区别，体会相对论的建立对人类认识世界的影响；（3）初步了解广义相对论的几个主要观点以及主要观测证据；（4）关注宇宙学研究的新进展。笔者的教学紧扣课标要求，从相对论的基本观点和重要结论、相对论的创立过程和实践检验、爱因斯坦的科学方法以及相对论对人类认识世界的重大影响4个方面展开。
三、教学内容的选择
从高中学生认知发展的水平来看，他们不可能完全理解相对论的内容，而且也没有必要完全弄懂这些内容，教学要为学生的科学素养的提升精选学习材料进行教学。因此，教学内容的选择尤为重要。既要让学生了解相对论的基本思想和物理本质，还不能加入过多的数学和过难的内容。在认真比对国内外高中物理教材的基础上，笔者精心选择和组织了下面5个方面的内容。
一是物理学史实。如19世纪末物理学的发展成就和经典物理学大厦的建成，“两朵乌云”的挑战，迈克尔逊—莫雷实验，爱因斯坦创立相对论的过程等；二是伽利略变换和经典时空观的基本观点；三是爱因斯坦狭义相对论的两条基本假设和六个重要结论，及其实验证据；四是广义相对论的两个基本假设和主要观测证据；五是对爱因斯坦的科学思想方法进行总结，知识结构如下页图1所示。
四、教学策略与方法
1.注重在物理学史的背景下学习相对论
将物理学史引入物理教学，展现物理概念的建立过程，物理规律的发现过程，以及科学家的思想方法、人格魅力等。将物理学史和物理知识的教学有机结合起来，为学生创设原汁原味的教学情境，重温科学发现的历程，充分发挥物理学史的教育功能。相对论的教学离不开物理学史的支撑和渗透。在相对论的教学中，可以首先回顾物理学的发展史，尤其是19世纪末已经建构起来的经典物理学大厦以及当时科学家对未来物理学的思考。如开尔文伯爵认为，“科学大厦的框架已经建成，20世纪的物理学将主要是对已有理论的完善，以及对各种物理参数的精确化”，但同时他也指出，物理学的晴空中还有两朵令人不安的“乌云”，其中一朵是“以太漂移实验”的零结果。其次在完成牛顿时空观教学之后，可以简要介绍麦克斯韦方程中的光速因子，说明电磁场理论中光在真空的传播速度与参考系的选择无关，激发学生的认知冲突，紧接着简述爱因斯坦之前的科学家对这个问题的研究，尤其是洛伦兹为解决这个矛盾提出了长度收缩假设，彭加勒对牛顿的时空观进行了彻底的反思。并且告知学生这两个科学家都走到了相对论的大门但都止步于收缩假说。这些物理学史的内容可以把学生带入到一种探索发现的心境之中，为学生更好地理解相对论的基本观点提供支架，还可以使学生体会到科学发现的艰巨性。再次介绍爱因斯坦的思考过程，从16岁的追光实验以及他和他的朋友的讨论是如何使他意识到“光速不变”的这些物理史实。最后对爱因斯坦的相对论从发表到人们接受的过程中，引导学生体会固有观念对科学发展的束缚、实践是检验理论的唯一标准等等。
这里值得说明的是，“引用物理学史料必须十分谨慎小心，绝不能将道听途说作为立论的依据，也不可信口开河地将查无实证的一些名人轶事作为严肃的史实加以阐发”[2]。比如在一些介绍相对论的通俗读物和教科书中，往往把迈克尔逊一莫雷实验直接与爱因斯坦创建狭义相对论联系起来，过分夸大这一实验所起的作用。严格的科学史研究表明，“引导爱因斯坦创建相对论的最基本的线索还是电磁学。以太漂移实验的结果，特别是迈克尔逊一莫雷实验的零结果对于爱因斯坦的思考并不占据主导地位”[3]。爱因斯坦是因成功解释了光电效应而摘得1921年诺贝尔物理学奖。
2.把握物理知识形成的逻辑结构
把握物理知识形成的逻辑结构，对于发展学生的思维有重要作用，也有利于学生认知结构的同化。教学中教学事件的设置，要符合爱因斯坦相对论建立的逻辑结构，实际的教学应当不少于4个课时，这里为了体现相对论的内在逻辑，属于单元教学整体设计，具体环节如下。
（1）引导学生学习伽利略的相对性原理，即在不同的惯性系中，力学规律都是相同的。
（2）引导学生认识伽利略的速度变换公式无法解释麦克斯韦电磁场理论所得到的光速c=
不随所选取的参考系的变化而变化，即光速与参考系的选择无关。
（3）面对矛盾，引导学生寻找解决之法，要么是伽利略的相对性原理错了，要么是麦克斯韦的电磁场理论错了。
（4）给出几个支持麦克斯韦理论的实验依据，如1849年的斐索实验，1887年的迈克尔逊一莫雷实验等。
（5）引导学生认识到，在不同的惯性系中，不仅力学规律都是相同的，一切物理规律都是相同的，当然这只是一个假说。
（6）介绍爱因斯坦的追光实验，结合麦克斯韦的理论，得出“光速不变原理”，这是狭义相对论的另一个假说。
（7）通过实例，引导学生认识到“同时是相对的”，并和学生一起推导时间延缓效应的表达式
，并且对其物理意义进行解释。
（8）给出长度缩短的表达式
，通过实例解释其物理意义。
（9）认识相对论的时空观，简述时空相对性的验证实验。并将相对论的时空观和牛顿的时空观进行比较。
（10）给出相对论速度变换公式
，其中u指物体相对于参考系的速度，v指两个参考系的相对速度。通过教材中的“思考与讨论”认识相对论的自洽性[4]。
（11）通过牛顿力学中可以推导出物理的速度可以无限大与光速不变的矛盾，得出物体的质量有可能随速度的增大而增大，给出质速关系m=
，其中
为物体的静止质量。由此得出，光速是速度极限的结论。
（12）给出质能关系
，这个关系在选修3-5中会详细介绍，这里可以简单提一下。
（13）引导学生根据上述结论，在物体速度远小于光速的情况下，推导出速度不大时，相对论时空观回到经典时空观，相对论力学回到了经典力学。说明相对论不是对经典力学的简单否定。
（14）引导学生认识到狭义相对论的局限性，即只研究了惯性系的情形，没有研究非惯性系。
（15）给出广义相对性原理，通过实例讲解等效原理，由此引导学生学习广义相对论的基本假设。
（16）通过视频资源，观看广义相对论的观测证据以及现代宇宙学的发展。
3.选择比较典型的案例进行分析
限于中学生的认知发展和数学基础，相对论的教学不宜用大量的数学推理进行。因此，在笔者的教学中，除了“时钟延缓”效应利用初等数学的方法引导学生推理之外，其余的表达式都是直接告知学生的，这样教学的效果显然会打折扣。为弥补这一不足，笔者选取一些精彩的案例辅助教学，既激发了学生学习的兴趣，又加深了他们对相对论的理解。限于篇幅，仅举一例。
孪生子佯谬：假如一对孪生兄弟20岁时，其中一位以0.999c的速度进行宇宙航行，假设他航行了40天回来，根据时钟延缓效应可计算出，留在地球上的兄弟已经60多岁了，而宇航员还是20岁，这既是所谓的“孪生子效应”。
这是个有趣的效应[5]，假设你以相对于地球0.999c的速率去一个离地球200光年的星球，虽然在地球上测得你这次旅行用了200年的时间，但是在飞船里测量，你只用了200/22.4=9年时间。在你到达这个星球时，地球上已经流逝了两个世纪。
4.在教学中渗透科学思想方法
科学理论的建立，主要有归纳法和演绎法。以伽利略、牛顿为主要代表的科学家所使用的科学方法主要是归纳法，即通过大量的、个别的、特殊的现象，对其进行观察、实验和研究，找出它们的共性，或者遵循相同的规律，进而总结出一些经验规律。演绎法与之相反，是指从一般到特殊的逻辑过程，一般由大前提、小前提和特殊结论构成。爱因斯坦的相对论是运用演绎法的成功范例。如狭义相对论是以相对性原理和光速不变原理为大前提的；广义相对论则是以广义相对性原理（也叫广义协变原理）和等效原理为前提的。爱因斯坦的科学方法论是以概念的形成和发展为基础的，他指出了基本概念的形成和发展的两条途径：“一是有意识方面，即通过逻辑上思维的自由创造形成概念；另一个是无意识方面，即通过非逻辑的心理因素创造概念”[6]。这是他对科学方法论发展做出的重大贡献。
教学中要引导学生认识到爱因斯坦的科学方法论，同时要渗透爱因斯坦的相对论所蕴含的科学思想，尤其是现代时空观。要让学生意识到，相对论将时间和空间、物质和运动、质量和能量紧密地联系在了一起，建立了对宇宙和自然世界认识的全新解释。尽管这些内容，学生一时半会理解不了，但是，通过学习，让他们受到些许的启迪，使他们能够带着问题，思考时空、光与物质，思考人生，未尝不是一种价值观教育。
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