相对论可以这样教学——狭义相对论中学教学刍议，本文主要内容关键词为：狭义相对论论文,刍议论文,相对论论文,中学论文，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。
2005年江苏省高考大纲首次把相对论的一些知识点列入选修科目的考试要求后，由于这一知识点在高考试题中占有分量很少，而教学难度较大，中学物理教师们普遍认为在此费力气是划不来的。笔者所知，不少老师只要求学生背出几个公式，记几个结论，而将相对论的精辟思想抛在一边。在“应试”与“素质”的权衡下，后者常常落败。
相对论果真如此难教吗？笔者在教学实践中对此进行了深入思考和探索，大胆作出一些改革尝试，取得较好的效果。
一、教材重组的设计思想
我们的做法主要是将原教材（普通高中课程标准实验教科书·物理·选修3-4，人民教育出版社）针对中学生进行量身改造，尽量贴近认知规律，以降低教学难度。
1.单刀直入主题，弃“宾”而突出“主”
有一些众所周知的事实：婴幼儿学说话，没有人会从语言发展的历史教起；中国儿童学写汉字，没有老师会从甲骨文、篆、隶、楷等文字发展历史讲起。基于这一道理，我觉得给中学生讲相对论时，从相对论如何产生的历史背景等讲起这种做法并不恰当。
纵观现有相对论教材，从大学到中学无一不是沿着理论发展的历史和背景、重大实验及相对论的两条基本假设这一线索，从伽利略经典相对性原理到麦克斯韦电磁理论，然后又是对光速问题的探索，最后爱因斯坦提出新理论，循序渐进，花费不少篇幅，相对论才终于开了场。接着才讲时空变换，时空的相对性……
这样的教材编排系统性强，合乎逻辑。但是学生听得很陌生，尤其中学生如在云里雾里，一开头就产生不得要领的感觉。这是因为前面开始的一些内容都是“宾”，一开头“宾”喧闹得很，相对论的关键要害在哪里？按学生的心理他们急切想知道相对论究竟是怎么回事。可是这个“主”却迟迟不出场。另外，那些历史背景渊源也是中学生所不熟悉、不太理解的东西，徒然又增加了许多困难。
为此，本人对这部分教材的处理是暂时先撇开了课本开头（第一节）的许多内容，在针对新课题基本概念作必要的铺垫后立即单刀直入，让学生对狭义相对论核心思想从一开始就有一个具体的认识，从而激发进一步求知的欲望。尔后，逐步展开各节内容。至于物理学史上有关背景材料，可适当穿插其间加以介绍。
2.通过实例，设置情景，引出相对论两个基本原理
原教材是先托出两个基本原理，然后运用于实例；我们认为倒过来处理更有利。
3.分散难点，将狭义相对论的两个基本假设分在两节课中教
原教材把狭义相对论的两个基本原理放在一起介绍，学生只能得到一个抽象模糊的认识。为使学生形成较深入具体的认识，可将两个原理分开安排在两堂课中进行。每堂课突出一个重点，通过具体实例情景，形成正确认识。而后一堂课又可对前堂课实行滚动教学。
4.既不用洛伦兹变换公式，又尽量避免结论直接托出，力求自然而有逻辑地推理
原教材将“长度的相对性”放在“时间间隔的相对性”之前，两个公式是直接托出来的。我们将两者交换次序，两公式可从实例中自然导出。
二、具体实施安排
1.第一课时：光速不变原理和同时的相对性的引出
（1）简单引言，激发学生探究的欲望。
（2）复习旧知——惯性参考系、坐标系（一维）；讲授新知——“事件”及其数学描述。
这第一种看法认为时间不随参照系而变，是绝对的；不同参考系中光速不等。仅学过伽利略、牛顿所创立的经典力学的人会普遍持这样的观点。
第二种看法认为时间与所在参照系相关，是相对的；而光速是绝对的，不随参照系而变。这样的认识便是狭义相对论的观念了。
（4）归纳：狭义相对论的基本假设之一——光速不变原理
（5）巩固、强化：利用课本例题、思考讨论题、问题与练习中的题，引导学生运用狭义相对论光速不变原理去分析，反复练习形成相对论思维习惯，与传统思维习惯划清界限，从而建立“同时”的相对性观念。知道在一个惯性参照系中不同地点同时发生的两个事件，在与之相对运动的另一些惯性参照系中是不同时的。
本课最后可简要介绍有关光速不变的实验证据，迈克尔孙实验。机械波的传播速度是以介质为参照系的，光则不同，它可在真空中传播而无需介质，这就使光的传播速度无需参照物，即不随参照系改变。在历史上曾设想用一种虚拟的介质——以太来确定光速，或以光源为参照来确定光速，种种想法均为实验事实所否定。
2.第二课时：狭义相对性原理（物理定律的绝对性）、测量的绝对性和相对性、时间间隔的相对性
学生在掌握了光速不变原理后可以说已有一只脚跨进了狭义相对论之门了，学习积极性很高，有进一步求知的欲望。本节课要求学生另一个脚也跨进狭义相对论的门槛。
（1）复习回顾上一节知识要点：光速不变，是绝对的；“同时”是相对的。
（2）指导学生阅读课本上引用伽利略《关于两个世界的对话》中对船舱里观察到的现象的一段生动描述，经伽利略总结、爱因斯坦推广得狭义相对论的另一个基本假设——相对性原理：在一个惯性参照系内进行的任何力学的、热学的、电学的、光学的实验都不能显示出该惯性参照系相对于别的惯性参照系的运动情况。或可表述为：在不同惯性参照系中，一切物理定律都是相同的。亦即物理定律具有绝对性。
（3）讲授一个简单的新概念：把与物体相对静止的（或可认为与物体固连在一起的）参照系称为“本征参照系”，记为
。
提出问题：在本征参照系内对该物体进行长度、质量、能量或该物所在处的时间进行测量时所得结果会与相对其他参照系（例如地面）的运动情况相关吗？
根据狭义相对性原理，在内对物体的诸多测量与相对其他惯性参照系运动情况无关，是不变量，或者说是绝对的。我们不妨称之为固有量或静止量。
向学生指出，狭义相对性原理决定了物体及过程的一些不变量，有了固有长度、固有时间、静质量、静能量等概念。如果没有这一条原理，即在中的测量与外界其他惯性系运动有关的话，那么本征参照系中测量的结果将“不知如何是好”，这显然不合理。
（4）再次提出新问题：上述物理量如果在与物体相对运动的惯性系（非本征参照系）中测量，所得结果又怎样呢？与固有量数值相同吗？
例：爱因斯坦思想实验。如图2-a，一车厢底部有静止光源竖直向上发射一个光脉冲信号到达顶部的水平平面镜上，反射后竖直向下回到原发光处。设车厢高度为h，从光信号发出到返回，其时间间隔记为Δτ。显然，Δτ=
。
①问：若车厢相对于其他惯性参照系（例如地面）静止或以某一速度作匀速直线运动，测得的时间间隔会有不同吗？
光源相对车厢静止，车厢参照系即为本征参照系；光信号发出和返回这是同一地点发生的两个事件，Δτ是固有时间，所以不随车厢与其他参照系的相对运动而改变。
②设此车厢相对于地面以高速v（与光速c相差不太大）水平匀速直线运动，从地面参照系看来，光信号从发出到返回时间间隔等于Δτ吗？
因光源相对地面运动，地面参照系不是本征参照系，在地面参照系中，两事件发生在不同地点，如图2-b所示，光的路径为折线。两事件的时间间隔记，不妨称为相对时间。现在要计算Δt。
比较以下两种计算结果：
让学生判断两种计算的正确与错误。显然（Ⅰ）违背光速不变原理，是错误的。
由（Ⅱ）不难得到：
这一结果虽是从个例中得到，但却具有普遍意义。
（5）归纳：时间间隔的相对性。
某惯性系中同地发生的两事件的时间间隔是个不变量，叫固有时间。在其他与之相对运动的惯性系中，该两事件的时间间隔总大于固有时间，并随v的增大而增大。
（6）安排例题、练习题。
在中学课本上，上述公式是直接托出的。这里用爱因斯坦思想实验进行推导笔者认为有两点好处：
①作为例题可让学生对狭义相对论的两条基本原理的具体运用有进一步的领会，也有利于对时间间隔的相对性的理解。后课对前课实现滚动式教学；
②先导出时间间隔相对性公式，然后长度的相对性公式也可推导，而不是直接托出。尽管这样做算不上是严格意义上的推导，但从中学教学实际出发这样处理还是合适的，从认知方法来看应当是允许的。而事事讲严密将使实际教学难以开展。
3.第三课时：长度的相对性
本节课打算继续引导学生运用狭义相对论的基本原理和已有结论去导出长度相对性的公式，并能充分理解这一结果。
（1）复习：狭义相对论的基本原理、“同时”的相对性、时间间隔的相对性。
车厢参照系S′与杆相对静止，是本征参照系，所测得长度
是固有长度，与外部其他参照系的相对运动无关，是不变量。
（3）提出问题2：若车厢相对地面以高速v匀速直线运动，在地面参照系中测量该直杆的长度，所得结果仍是吗？
（4）长度相对性公式的意义。
（5）练习。
（6）时空相对性的验证、相对论的时空观。
4.第四课时、第五课时：狭义相对论的其他结论，广义相对论简介
三、狭义相对论小结
（1）无论在本征参照系中还是在非本征参照系中进行物理测量和实验：①所得物理定律都相同；②光速不变。
（2）在本征参照系中进行物理测量和实验，所测得的长度、时间间隔、质量、运动速度、电场强度、磁感应强度、动量、能量等物理量是确定的值，与它相对别的参照系的运动情况无关。而在非本征参照系中测量所得值与它们相对运动情况有关。相对速度越大，长度越短，时间间隔越长，质量（从而动量、能量）越大。