大學物理相對論部分教學中的幾點探討

唐 煌 朱小芹

（江蘇理工學院數理學院，江蘇 常州 213001）

工科大學物理的教學中，狹義相對論部分學時很少，而其內容又相對深奧，在講授這部分內容時，很多學生一知半解，他們只是形象地對是否有時空隧道、時間能否倒流等科普甚至科幻感興趣，卻不理解正確的理論，更不理解理論所要求的前提條件.同時，對于一些難以理解的知識點，在部分參考書中，有關內容敘述得不太嚴謹，這樣，初學者要真正掌握這些概念比較困難.本文選取了狹義相對論部分的幾個問題進行討論，通過定性及定量分析，究其根本原因，尋找內在的物理本質.

1 狹義相對論的時空觀

由式（1）可知，在S 系中，不同地點的兩個事件同時發生，即t1＝t2，Δt＝0，Δx≠0，則在S′系中，Δt′≠0，兩個事件不可能同時發生.

這里錯誤的關鍵還是學生忽視了長度收縮的前提條件：同時測量運動細桿兩端的坐標.桿的原長或固有長度是桿靜止時測得的長度，測量時不必同時記錄桿的兩端坐標，由于桿是靜止的，其兩端坐標值不變，同時記錄或不同時記錄其結果一樣，當桿運動時，要求同時記錄其兩端的坐標，而用此兩端坐標差作為桿的運動長度.

可見，在相對論時空觀的學習中，關鍵還是正確利用洛倫茲變換，特別要注意它們的前提條件.大多數教材都是先給出洛倫茲變換，再通過洛倫茲變換講解相對論時空觀［2，3］，但也有教材先介紹相對論時空觀，再講洛倫茲變換［4］，讓學生先定性了解，再定量學習，老師可以讓學生課后通過洛倫茲變換再去思考相對論時空觀，這樣效果也不錯.

2 狹義相對論中的因果關系

在相對論教學中，很多學生受到科幻小說、科幻電影的影響，總是認為因果關系會發生顛倒.若A 和B 是S′系中的兩個事件，A 是原因，B 是結果（A 先發生，B 后發生）.他們認為總能找到一個慣性系S，在S 系中，B 先發生，A 后發生，出現因果順序顛倒的現象.其實這是絕對不可能的，在相對論中，因果關系不會發生顛倒.

設A、B 兩個事件在S′系的時空坐標分別為（x′A，t′A），（x′B，t′B），S′系相對S 系以速率u 沿x 軸正向運動，由洛倫茲變換可知，在S 系中，

則

由式（3）可見，如果x′B＞x′A，則只要t′B＞t′A，必有tB－tA，即在S′系中測得A 先于B 發生，在S系中測也是A 先于B 發生.

如果x′B＜x′A，則有可能t′B＞t′A，而tB＜tA，也就是在S′系中測得A 先于B 發生，有可能在S 系中測得B 先于A 發生.但是這種時序顛倒的情況只能發生在彼此無關的兩事件之間.

3 狹義相對論中的質量

4 結語

通過以上幾個問題的討論分析，知道學習相對論時空觀的關鍵還是洛倫茲變換，同時要特別注意其前提條件；了解相對論不會改變因果關系；以及有爭議的動質量概念.相對論的學習，值得討論的問題還有很多，例如著名的“孿生子佯謬”問題，光靠狹義相對論不能很好地解釋，還需要廣義相對論的知識才能解釋清楚［10］.更多的問題，還需要大家去探討，科學總是在不斷的思索和懷疑中前進的.

［1］過祥龍，董慎行.基礎物理學（上冊）［M］.2版.蘇州：蘇州大學出版社，2003：139.

［2］程守洙.普通物理學（1）［M］.5版.北京：高等教育出版社，2002：229－246.

［3］馬文蔚.物理學（下冊）［M］.4版.北京：高等教育出版社，2000：186－195.

［4］毛駿健，顧牡.大學物理學（下冊）［M］.北京：高等教育出版社，2009：137－142.

［5］Adler C G.質量真的與速度有關嗎，爸爸？.［J］.吳治隆，譯.大學物理，1991，10（3）：25－28.

［6］Okun L B.質量的概念［J］.馬文麒，譯.大學物理，1992，11（2）：29－31.

［7］朗道，栗弗席茲.場論.［M］.任朗，袁炳南，譯.北京：高等教育出版社，1959：37－38.

［8］Sandin T R.為相對論質量辯護［J］.鄧淑琴，譯.大學物理，1994，13（8）：20－24.

［9］張三慧.也談質量的概念［J］.物理與工程，2001，11（6）：5－11.

［10］呂嫣，段家興，圖雅，等.對雙生子佯謬問題的幾種解釋［J］.沈陽師范大學學報：自然科學版，2011，29（3）：384－386.