“狹義相對論基本原理”教學的改革實踐

喻 莉 楊植宗 段永法 周本元

(空軍預警學院基礎部物理教研室 湖北 武漢 430019)

大學物理是一門理論性較強的基礎課程，學生接觸到的大多數都是一些抽象的概念、原理及枯燥的符號和公式，很容易失去興趣.因此，要想提高課堂教學質量，首先，教師應該想辦法努力提高學生的學習興趣;其次，大學物理的教學應該明顯地與中學物理教學有所不同，教師不僅要培養學生雄厚的物理知識基礎，同時還應該采用適當的方法和手段，以物理知識為載體，讓學生掌握一些必備的科學研究方法，培養其良好的科學精神.為達到以上目的，筆者在“狹義相對論基本原理”的課堂教學中，通過創設物理情境、聯系歷史背景、回顧理想實驗、突出科學精神等具體措施，達到了很好的教學效果.

1 創設物理情境

好奇是學習的動力，興趣是最好的老師.通過創設物理情境，能夠很好地激發學生的求知欲望，增強其學習興趣.

在講解絕對時空觀時，為說明力學規律在所有慣性系中都具有相同的形式，筆者創設了這樣一個實驗情境,即如果將你和你的朋友關在一艘做勻速直線運動的封閉的船艙里，請你設計一個力學實驗來判定船是靜止還是在運動.將力學相對性原理這一抽象、枯燥的物理知識轉變成了一個形象、具體的物理問題，啟發學生思考，增強其學習興趣.

此外，為說明光速不變原理，筆者還創設了一種使矛盾激化，讓學生產生認知沖突的問題情境,即當對面有人迎面向你投球時，你應該是先看到投出去前的球還是投出去后的球？根據事實經驗，學生肯定會回答先看到投出去前的球.此時，進一步讓學生思考，如果從伽利略變換出發，應該是先看到哪個球呢？學生回答投出去后的球.結論與事實相矛盾！創設這一問題情境，啟發學生思考，激發學生的求知欲望.

2 融入歷史背景

物理學史作為物理科學發展的歷史，包含著許多原創性的科學研究方法和科學理論產生的背景.對物理理論，追溯它們的形成背景和過程，探尋先輩物理學家在得出最終結論前所使用的科學方法，不僅能讓學生體會科學創立的艱辛，同時，也有助于學生掌握重要的科學研究方法，提高學生運用創造性思維的能力[1].

狹義相對論的歷史背景：(1)19世紀末，隨著麥克斯韋電磁場理論的建立，人們發現電磁學規律在伽利略變換下不具有協變性.由電磁理論，光速應該是一個與參考系無關的常量，這顯然與伽利略速度變換式相矛盾.(2)為解決這一矛盾，人們提出了以太假說，假定光只有在以太中速度才為常量c，在其他慣性系中則將測出不同的速度.(3)為證明以太的存在，人們做了各種實驗，其中最著名的就是邁克爾孫-莫雷實驗，但得到了意想不到的零結果.為解釋實驗零結果，人們還提出了拖曳說、微粒說、收縮說等，它們雖然都能夠解釋邁克爾孫-莫雷實驗，但卻要么與其他實驗相矛盾，要么不能自圓其說，所以，最終這些學說都沒有被人們所接受.愛因斯坦正是在此歷史背景下，同時受到哲學家馬赫的影響，最終才提出了狹義相對論的兩條基本原理.

通過對相對論創建過程的歷史考察，讓學生深刻體會科學家探索真理過程的艱辛，認識到科學家正是在不斷發現問題和不斷解決問題的過程中，才最終找到了事物的本質，在這一歷史背景的講解中，科學家的工作思路和科學方法都清晰可見.這些將有助于學生學習和運用科學方法去創造性地解決問題.

3 回顧理想實驗

“理想實驗”,又稱為思想實驗、假想實驗等.它是人們在思想中塑造的理想過程，是一種邏輯推理的思維過程和理論研究的重要方法.理想實驗建立在真實實驗基礎之上，是以真實實驗的邏輯法則為依據而開展的一種復雜的思維推理活動，是創造思維的重要表現形式[2].理想實驗作為一種特殊的實驗方法，在科學研究中具有非常重要的地位和作用.

在探究愛因斯坦是如何創造性地提出狹義相對論的基本原理時，就著重講到了愛因斯坦16歲時對“追光悖論”這一理想實驗的研究.實驗是這樣的：假想一個人以光速去追趕光波，那他將會看到什么樣的景象呢？顯然，如果伽利略變換依然正確，那么， 在以光速運動的參考系中，觀察者將會看到自己和光的波峰和波谷一起運動，光的波動現象將完全消失，看到的僅是類似于凝固的海浪圖樣.

然而，愛因斯坦分析認為,根據電磁理論，凝固的“海浪”圖樣并不是麥克斯韋方程組的解，滿足麥克斯韋方程組的解，應該總是以光速運動的波.所以，即便是在以光速運動的參考系中，所看到的一切還是應該和在地球上靜止時所看到的一樣，按照同樣的定律進行[3].顯然，在該理想實驗中，就已經包含了狹義相對論的萌芽.

通過該理想實驗的分析和講解，讓學生體會物理學家從提出問題，到構思實驗方案，再到邏輯思維與推理，最后得出結論的這一科學創新過程.同時，在物理教學中適時地引入理想實驗，透徹地分析理想實驗的理論依據、說明的問題等，在頭腦中再現理想實驗的進行過程，可以很好地培養學生的想象力和邏輯思維能力.

4 突出科學精神

目前，由于受應試教育的影響，學生只知道一味地接受、繼承舊知識，而不敢對其進行質疑、批判和創新.在本次課中，筆者希望能夠通過介紹在相對論誕生和發展過程中，科學的質疑和批判精神的重要性，從而潛移默化地引導學生養成良好的科學思維習慣.

筆者在給出狹義相對論的兩條基本原理前，先介紹，在愛因斯坦之前，洛倫茲就得出了在高速下長度收縮和時間延緩的結論，而彭加勒則早在1898年就猜測到了在真空中光速不變且各向同性.應該說洛倫茲和彭加勒已經走到了相對論的大門口，但卻無法擺脫絕對時空觀的束縛，最終沒有邁入相對論的門檻.相反，愛因斯坦卻從不迷信權威，他從伽利略變換與電磁理論之間的矛盾出發，對牛頓力學的絕對時空觀產生了質疑，并最終拋開了“絕對靜止”和“靜止以太”的觀點，創造性地提出了狹義相對論的兩條基本原理，引起了人類時空觀的巨大變革.通過講解，讓學生從中領悟質疑、批判和創新的重大意義.

此外，在此次課的結尾處，筆者又進一步強調了質疑、批判的重要性.讓學生了解到相對論自建立至今，就一直伴隨著質疑和批判.就連用實驗證實“以太”不存在的邁克爾孫至死還念念不忘可愛的“以太”，認為“相對論是個怪物”.并且愛因斯坦在1921年獲諾貝爾獎也不是因為相對論，因為人們對相對論還存在太多的質疑，它應該接受嚴格的驗證.最后，進一步列舉在2011年9月的一則關于中微子超光速現象的新聞.讓學生明白，相對論正是在不斷地質疑和批判中才得以發展.同樣，科學的發展也需要質疑、需要批判、需要創新.用物理學中的質疑精神和創新意識去喚起學生的意識情感，培養學生在質疑中變革，在批判中發展，敢于挑戰權威，敢于創新的科學精神.

在狹義相對論基本原理這一課中，筆者采用以上方法達到了較好的教學效果.相信這些具體的措施在大學物理其他的章節教學中也有很強的參考、借鑒作用.

參考文獻

1 張玉峰.物理學史在物理教學中的作用.安陽師范學院學報,2011(5):137～139

2 文軍.“理想實驗”與物理教育.渭南師范學院學報,2004,9(2):78～81

3 許良英,范岱年編譯.愛因斯坦文集(第一卷).北京:商務印書館,1976.24