關于高中近、現代物理知識的教學建議

陳運保 段曉莉

(河南師范大學，河南 新鄉 453007)

近、現代物理在物理學乃至整個自然科學領域中具有舉足輕重的地位,也是當今科技和工業發展的重要理論基礎,因此,高中生學習近現代物理的一些初步知識是頗具裨益的,不僅有助于學生建立完整的物理知識體系、了解現代物理思想方法,而且有助于學生理解科學、技術、社會之間的關系,理解科學技術是第一生產力的內涵,強化科教興國的使命感．

近、現代物理被引入高中物理課程的主要內容是原子論、相對論和量子論等,例如《高中物理課程標準》[1]要求:初步了解相對論時空觀．了解廣義相對論的主要思想、結論和觀測證據．知道實物粒子具有波動性,了解微觀世界的量子化特征．體會量子論的建立對人們認識物質世界的影響．

但是在教學實踐中,近、現代物理知識的教學面臨著很多困境,有研究者針對新教材中近、現代物理教學的效果進行了相關的調查,[2，3]揭示了一些問題,例如，教師和教材都存在傳統物理教學定勢、教師的知識水平和學生認知水平的局限性、高考大綱的局限性問題等．

從課標來看,高中對近、現代物理知識的要求絕大多數是“了解”層次,要求不高,因此,在教學中一定要講得淺顯,切忌太難、太高深,但另一方面,即便淺顯,也需要講解清晰、明確、透徹,不失其科學性．不能只是給出幾個名詞、條文讓學生死記硬背,也不能不講或任由學生處理、不了了之．那么,如何才能把這看似矛盾的兩方面統一起來，改善近、現代物理知識的教學效果呢?本文認為應該從以下幾個方面入手．

1 重構教師的近、現代物理知識結構

當前高中教師的近、現代物理知識主要來自大學期間的專業課學習,而大學專業課中的近、現代物理學具有系統性和完整性的特點,其邏輯嚴密,鋪墊厚實,并且有相關專業知識和數學知識做支撐．這些都是在中學物理教學中不可能具備,也無法做到的．因此,盡管教師具有充足的近、現代物理知識,但其知識構架和認知體系很難為中學教學所用．這里以大學專業教材中關于狹義相對論的教學為例加以討論．如高等教育出版社出版的郭碩鴻先生的《電動力學》[4]中,對狹義相對論中關鍵結論諸如“鐘緩尺縮”和“質能方程”的推導都是從洛倫茲變換出發的,而中學物理中根本不涉及洛倫茲變換的內容．因此,教師在大學專業課上的知識構架在中學課堂上將無法施展,教師會感覺每一個知識點都顯得很突兀,不能與其他知識很好地銜接和過渡,甚至感到無從下手．

事實上,中學物理教材中采用了完全不同于大學專業課程中的方式來引入狹義相對論中的關鍵結論,其講述憑借定性的分析并帶有科普的色彩．

因此,在講授近、現代物理知識時,高中教師不應該完全依賴在大學專業課中系統而又嚴謹的知識構架,而應該重構一套適合中學生理解力和認知力的知識構架,其中一個必要且可行的方法是閱讀一些有關近、現代物理的科普性質的文獻和書籍．如霍金的《時間簡史》,張軒中的《相對論通俗演義》,日本北海道大學畢業的山本將史所著的《漫畫相對論》,大阪教育大學江福純著的《寫給小學生看的相對論》,畢業于東京理科大學石川憲二的《漫畫量子力學》等,這類科普性書籍深入淺出、通俗易懂,又善打比方,但同時又不失其科學性．這些內容將有助于教師通俗易懂地理解和講授近、現代物理知識的內涵．

2 善于利用近、現代物理與經典物理之間的聯系和區別,實施對比性教學

正如前述,近、現代物理知識在中學課堂上顯的孤立突兀,原因正在于這部分知識與經典物理知識之間有一定的間隙．因此,教師需充分挖掘這種關聯性、找出異同點,要加強新舊知識的對比、銜接和過渡．

這里以狹義相對論中“同時的相對性”為例簡要闡明新舊知識間的連接．教材[5]中的圖示(如圖1所示)是“同時相對性”的原理圖,作為對比,教師首先把其中的燈換成一個能夠前后發射的機槍,并假設向前向后發射出的子彈相對于槍口的速度相同,然后讓學生思考向前和向后的子彈是否同時射到接收靶上．這個思考題即使在經典物理中也不失其教學重要性和趣味性．通過教師引導,讓學生體會參照系的選擇問題,這會導致兩種不同的解法:一種是選車為參照系,那么車廂就是靜止的,機槍和靶都靜止,顯然兩個子彈同時到達車頭和車尾．另一種是選地面為參照系,那么根據伽利略變換,射向車頭的子彈速度大小為v彈+v車,射向車尾的速度大小為v彈-v車．同樣地,射向車頭的子彈與車頭接收器之間是“追擊問題”,兩者間(即子彈和車頭接收器之間)的相對速度大小為v彈+v車-v車=v彈; 射向車尾的子彈與車尾接收器之間是“相遇問題”,兩者間(即子彈和車尾接收器之間)的相對速度大小為v彈-v車+v車=v彈，因此,子彈也是同時到達車頭和車尾的．兩種參考系的結論是相同的,即向前、向后的子彈同時到達車頭靶上和車尾靶上．這意味著兩個事件不管在哪個參考系下都是同時發生的．換句話說,“同時性”是絕對的,不依賴參照系的．

然后把機槍換成燈,相應地把子彈換成了光信號,結果又會如何呢?

圖1 地面和運動的車廂中“同時的相對性”問題

如圖1所示,圖中O代表在正中心位置的一盞燈,當燈打開,兩束光線分別射向車頭和車尾．站在車內的觀測者看到的燈和前后接收器均為靜止．因此,看到兩束光“同時”到達車頭和車尾,即車頭接收光信號和車尾接收光信號這兩件事是“同時”發生的．但在車外地面上的觀測者所看到的情況則不同．首先強調，根據光速不變原理,地面觀測者看到的向左、向右射出的光的光速依然均為c不變.這一點導致了和經典物理的重要不同.再考慮到車向右運動,因此,向車尾(向左)射去的光與接收器形成一個“相遇問題”．而向車頭(向右)射去的光與接收器形成一個“追擊問題”．故而光速不變的假設將導致光到達車尾的時間要短于到達車頭的時間．因此,車頭接收到光信號和車尾接收到光信號這兩個事件是“不同時”的, 此即“同時的相對性”．

為什么會產生這樣奇怪的結果呢?通過這樣的對比,學生不但溫習了舊的知識,同時也會對新知識(“同時的相對性”)有更深刻的理解,學生將會明白光速在任何參考系都不變這條假設在導出“同時的相對性”這一結論的過程中所起的關鍵作用．

進一步,教師還要讓學生認識到經典物理的局限性．教師可以向學生闡明,同時相對性的結論是普適的,所有物體的運動都存在同時的相對性這個問題．在圖1中,即使把光換成子彈,若從狹義相對論的時空觀出發,站在地面的觀測者依然能夠得出射向車尾的子彈比射向車頭的子彈先被接收到這樣的結論,只不過這種效應非常不明顯而已．只有當物體速度與光速可比擬時,相對論效應才表現得顯著起來．

經典物理與近現代物理之間的對比性教學也可以用于量子論的教學中,這里也舉一例．在講量子論部分時,為了讓學生明白微觀粒子與經典粒子的不同,可以構想如下實驗:分別用經典粒子(如子彈)和微觀粒子(如電子)進行雙縫干涉實驗,并比較其結果．當然,這里教師可以通過畫示意圖的方式給出實驗的結果.

圖2中,最左側的發射器代表機槍和電子槍．右側粗線代表子彈在接收屏上的分布,細線代表電子在接收屏上的分布．兩者的區別在于,前者沒有干涉條紋,僅僅是子彈密度分布的相加．后者則是物質波的相干疊加的結果,因此具有明暗條紋．在這個想象實驗中,通過對比子彈和電子在接收屏上的行為,可以很好地幫助學生理解微觀粒子和經典粒子的差別．

圖2 子彈和電子的雙縫實驗示意圖

最后,筆者想指出對比性教學固然有很多好處,但教師要能夠準確駕馭知識,做到正確類比,不能喪失其科學性．這里舉一個相反的案例,有中學教師講相對論中時間的相對性時曾做這樣的比喻:讓一個人在火爐旁待一個小時,他會覺得時間過得很慢,而讓他和一個漂亮姑娘待一個小時,他會覺得時間過得很快,這就是時間的相對性．據說愛因斯坦曾用這個例子說明什么叫“相對”,若僅僅用這個例子解釋“相對”這個詞匯的含義的話,自然也說得過去,但用于理解相對論時空觀的內涵則是毫無用處的,應該引起教師的警惕．

3 幫助學生理清脈絡、抓住關鍵點

首先,教師要深入透徹地分析教材,理解教材的設計思路和推理邏輯．例如,教材在“鐘緩尺縮”這一部分的設計思路[5]是:首先提出狹義相對論的兩條基本假設;從基本假設出發先導出“同時的相對性”這一重要結論,再從“同時的相對性”出發導出“尺縮”效應； 最后從“尺縮”效應出發,設計情景可以較為自然地導出“鐘緩”．為此,教師應理解這一線索,并抓住“同時的相對性”這一關鍵點,讓學生對此展開深入的討論,提高認識,為后面學習和導出“鐘緩尺縮”效應做準備．

其次,教師可以結合物理學史幫助學生理清物理知識發展的脈絡．近、現代物理中很多思想的提出都有著非常有趣的科學背景,教師可以突出近、現代物理知識的背景以及人類思考這些問題時的思路或物理思想,沿著歷史發展的脈絡,學生可以更容易理解其內涵，了解近、現代物理的思想方法,并且印象深刻、興趣濃厚．這里以量子論中微觀粒子的波粒二象性為例加以闡明．

即使在大學課堂,關于波粒二象性的概念也是一個很大的教學難點,因為它與我們的生活經驗格格不入．我們沒有辦法通過一些形象的比喻幫助學生理解它,很多貌似生動的比喻往往都不能反映真實的物理本質,進而對學生產生這樣或那樣的誤導,因而是不可取的．例如,不少人(包括教師)認為只有大量的微觀粒子的集體運動才表現出粒子分布疏密不均的波動性,而單個的微觀粒子只能表現出粒子性;再如,有人認為,微觀粒子的波動性是指粒子在空間中的運動軌跡類似正弦或余弦曲線,因而說微觀粒子具有波粒二象性．事實上上面的這些錯誤認識都源于人們的思維太過膠著于經典的物理圖像,并企圖用經典的圖像去理解量子物理．事實證明這是一種徒勞．對于教學而言,也同樣如此．當教師在課堂上企圖用經典的圖像來闡明量子物理的概念時,他往往就要出錯了．那么如何避開這些錯誤,同時又讓學生能夠較好地接受正確的近、現代物理觀念呢?一個比較好的做法就是結合近現代物理自身的發展經歷來講授．就微觀粒子的波粒二象性而言,人類經歷了一個漫長的認識過程．首先,早在量子論誕生之前,人們對光的本質的認識已經有了粒子性和波動性之爭，主張光是粒子的代表人物是牛頓,主張光是波的代表人物是惠更斯．但在當時,無論是牛頓的粒子還是惠更斯的波都是經典的粒子和經典的波．二者是彼此對立的,不相容的．在早期的光學實驗中,人們主要圍繞一些簡單的光現象進行研究:光的直線傳播(一個典型例子是小孔成像),光的反射(一個典型例子是平面鏡成像),光的折射(一個典型例子是凸透鏡成像)．對于這些簡單現象,牛頓的微粒說和惠更斯的波動說都能予以解釋,因此難分伯仲．但是到了后來,托馬斯·楊發現了光的干涉、衍射現象以后,惠更斯的波動說以壓倒性的優勢占據了主導地位．再到后來,麥克斯韋進一步提出光不但是波而且是一種電磁波的觀念．自此,光的波動觀點便無可非議地被完全確立．但是,到了1905年,愛因斯坦基于光電效應的實驗事實提出了光子的概念,光的粒子性又被人們重新認識和重視，并且,人們發現無論拋棄波動性,還是拋棄粒子性都不能對所有光現象自圓其說,因此人們在經歷漫長的思想斗爭之后終于意識到了波動性和粒子性必須具有內在的統一．關于光子的波粒二象性的發現歷程對提高學生興趣、降低學生接受新概念的困難一定是有益的．

而對于另一種基本粒子——電子,其波粒二象性的發現則與光子有著完全相反的命運．自從湯姆遜發現電子以后,人們從來都是將其作為粒子看待的,從未意識到電子會有波動性．由于電子的波長很短,因此諸如干涉、衍射這些反映波動性的現象在實驗上很難觀測,故而在早期的實驗中未能發現電子的波動性．但是,年輕的德國物理學博士德布羅意認為,電子和光子同為微觀粒子,既然光子具有波動性和粒子性,那么電子也應該具有波動性和粒子性．德布羅意假說的正確性由后來的戴維遜-革末實驗和電子雙縫干涉實驗得以證實．

物理學本身的發展歷程往往就是最符合物理知識認知規律的過程．由于近、現代物理教學的特殊困難,結合物理學史進行教學具有特別重要的意義和作用．另外,結合物理學史教學還有助于避免學生對近、現代物理概念的理解陷入錯誤的陷阱．例如上面提及的對波粒二象性的種種錯誤認識在近、現代物理發展過程中都曾出現過,人們在歷史上通過各種實驗和思辨最終都發現它們是錯誤的,如果將這些史料有機地融入課堂教學中,將會很大程度上克服學生的經驗觀念、加深對概念的正確理解．

4 結合實驗和技術應用進行教學

物理學是一門實驗科學,物理教學要密切結合實驗、實例向學生展示或說明相關的物理現象，概括其中的關鍵特點,揭示其中的物理理論,或運用相關理論解釋現象．近、現代物理教學也是如此．

關于狹義相對論中的基本效應的教學,可以通過一些有趣的思想實驗和真實實驗激發學生興趣、幫助學生理解．著名的孿生子佯謬就是一個很好的思想實驗,并且該思想實驗通過簡化最終被真實實驗所驗證．其實驗思想是:一對孿生子兄弟,其中一個在家,一個坐飛船旅行,當飛船回到地面家中后,兄弟兩個哪個更年輕?而在1970—1971年,科學家用負載銫原子鐘的飛機繞地球赤道飛行一圈回到原點與地面上的銫原子鐘比對,結果發現,運動時鐘與靜止時鐘之間的確存在時間差,其差值大概為10-7s,與根據相對論算出的理論值接近．這間接地證明了孿生子實驗在狹義相對論框架下的結論．

此外,衛星定位系統GPS在以前由于沒有考慮到相對論中的時間相對性,導致定位誤差較大,現在把相對論效應考慮進去之后,精準度大大提高．

以上這些生動的實驗或實例若能有機地融入近、現代物理的教學課堂,將能有效地激發學生的熱情和興趣，降低近、現代物理的學習難度．

此外,近、現代物理帶來了當今的科技革命,在社會各個方面得到了廣泛的應用,如果能夠結合其技術應用情景進行教學,也將有利于學生理解知識、激發學習興趣．

例如,關于質能方程的教學,高中教材對該方程全部論述只有寥寥3行(不足40字)[5]．那么如何讓學生更好地領會這個方程的奧妙呢?教師可以結合核能的利用進行教學．例如,結合原子彈爆炸的圖片、結合1945年美國在日本廣島投下的原子彈的歷史來幫助理解質能方程．在廣島爆炸的原子彈造成的破壞力相當于13000公噸TNT炸藥,何以有如此大的威力呢? 這與質能方程中光速的平方有很大關系,因為光速3×108m/s,平方之后就是一個1016量級．一個很小的質量虧損就能釋放很大的能量,這與TNT炸藥中的化學能有著本質區別．此外,世界各國建立的核電站也是利用重核裂變來實現質量和能量轉化,是質能方程的技術應用．

概括而言,在高中物理課程中引入近現代物理內容是非常必要的,但是在教學實踐中存在一定的困難,要解決這些困難首先需要教師重構近、現代物理知識結構,其次,需要教師采取多種教學策略輔助教學．

參考文獻：

1 中華人民共和國教育部制訂.普通高中物理課程標準[Z].北京:北京師范大學出版社，2017:16-41.

2 梁志國,郭玉英.從報刊看我國公眾對近現代物理學知識的需求[J].學科教育,2002(11):31-34.

3 潘建標.高中物理新教材滲透物理學前沿的探討[J].物理教學探討,2004(4):29-30.

4 郭碩鴻.電動力學[M].北京:高等教育出版社，2008:192-208.

5 人民教育出版社.普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-4[M].北京:人民教育出版社，2011:98-99,98-100,106.