曲徑通幽處 禪房花木深

黃 堅

相對論以深奧難懂著稱,高中物理選修3-4模塊中《相對論簡介》也正是學生最難理解的一部分.很多教師怕耽誤教學進度,在實際教學中,沿用老式套路:灌輸基本概念,強記重要結論,套用公式做習題,一兩課就能解決掉本章內容.如果沿用這樣的處理,學生很快會遺忘所學內容,起不到任何效果.

怎樣對這一章節的內容進行更為合理的安排?筆者在教學實踐中,從以下幾個方面進行.

一、結合物理學史,引導學生認識相對論的建立以及發展過程

作為近代物理最為卓越的成就,相對論的建立在科學發展史上具有十分重要的意義.新課程安排這些內容,目的是加強學生對科學方法、科學思想的認識,這也正符合新課標中有關“情感態度價值觀”的教學要求.

以往的教學給學生灌輸了這樣一個有關認知世界的步驟:把“大量”的實驗結果總結歸納起來,就是科學定律.事實上多數科學規律不能簡單歸納,正如相對論的發現一樣,愛因斯坦在已有知識背景和實驗的基礎上,大膽猜想提出兩個基本假設:狹義相對性原理和光速不變原理,然后以此為出發點,推導出一系列的結論.也就是說,科學的猜想,或者說非邏輯的思維對認知世界的過程起到了非常重要的作用.牛頓就曾說過:“沒有大膽的猜想,就沒有偉大的發現.”

當然,猜想也不是無的放矢的胡思亂想,科學的猜想離不開實驗這一基礎.相對論發現的時代背景在于,經典物理絕對時空觀無法解釋邁克爾孫—莫雷實驗、菲索實驗等一些實驗,而且相對論的進一步發展,更是在于有兩個基本假設得到的一些推論不斷得到實驗證實.

二、以基本的相對論問題訓練學生的思維能力

雖然新課標對相對論的要求只要達到“知道”、“了解”的程度,但是筆者認為運用最基本的原理處理相對論基本問題,這還是需要的.教師要深入到學生中去,及時發現學生解題時出現的每一個問題,適時點明要點,指明發生差錯的原因.

比如,人教版教材在第二節內容后,配了這樣一道習題.

地面上的人認為A、B兩個事件同時發生.對于坐在火箭中沿兩個事件發生地點連線飛行的人來說(B點在A點的前方),哪個事件先發生?

筆者在教學中發現,班級超過60%的學生這樣分析本題:A、B兩位置同時發出閃光,因為火箭與B位置距離較遠,結合光速不變原理,B位置出發的光會需要更長的時間到達火箭,結論:火箭中的人認為,A事件先發生.

上述分析看似很容易理解,也很符合學生已有的知識結構,但卻有著致命的邏輯錯誤:以地面為參考系描述的兩個事件是A、B兩位置發光;以火箭為參考系對比的是,兩道閃光到達火箭這兩個事件的先后.這樣的結論顯然是錯誤的.

正確的解題思路如下:設在AB連線中點的光源發出一個閃光,以地面為參考系,閃光到達A、B兩地為“同時”發生的兩個事件,以火箭為參考系,根據狹義相對論的假設,兩個方向光的速度不變,A、B具有向左的速度,則可以說明B在“迎接”閃光,而A在“躲避”閃光(一個追及的問題).結論:火箭中的人認為,B事件先發生.物理的思維必須是嚴謹的,教師要提醒學生在具體問題的處理中切實做到這一點.

三、引導學生品味物理的和諧之美,讓學生領略奇妙的相對論世界

限于學生的數學基礎,本章節的很多內容都是定性分析,但是推理的嚴謹程度沒有絲毫的弱化,如“時空相對性的驗證”中提到的“μ子壽命的檢驗”.教科書以相對論基本原理和實驗為基礎,經過邏輯推理演繹,讓學生理解和發現,進而得到那些如此簡潔、和諧的神奇結論,并為實驗觀測所證實是正確的.這些內容都蘊含著物理的美學思想.

物理學的理論具有抽象和概括的特點,若不以美的眼光看待它,給人的感覺將是枯燥和艱澀.物理學的美是潛在的,只要引導學生去發現它,這種潛在的美就會變成一種實踐力量被運用到學習當中,物理學習也就變成了審美活動,學生將發現學習物理是一種美的享受和對美的追求.

此外,畏難心理會讓學生對疑難問題產生排斥情緒,故此很有必要適當拓展,增加一些能夠激發學生興趣的內容.

在相對論發展過程中,曾經有過很多針對佯謬的討論,諸如“雙生子佯謬”、“殺父佯謬”等等,這些都有很強的趣味性.此外,時空旅行也是容易引起學生共鳴的話題.教師引導學生去探討這些問題的目的不在于討論清楚每一個問題,而在于給學生展示一個更為奇妙的物理世界,促使他們向更為深入的領域自主探究.

綜上所述,本章內容的重心,在于方法論的學習,在于思維能力的訓練,在于學習興趣的激發.盡管在這過程中,師生都需要付出更多的艱辛,但當理清思路后,大家都會發現收獲頗多.正所謂“曲徑通幽處,禪房花木深”.

(責任編輯:易志毅)