曲径通幽处 禅房花木深

黄 坚

相对论以深奥难懂著称,高中物理选修3-4模块中《相对论简介》也正是学生最难理解的一部分.很多教师怕耽误教学进度,在实际教学中,沿用老式套路:灌输基本概念,强记重要结论,套用公式做习题,一两课就能解决掉本章内容.如果沿用这样的处理,学生很快会遗忘所学内容,起不到任何效果.

怎样对这一章节的内容进行更为合理的安排?笔者在教学实践中,从以下几个方面进行.

一、结合物理学史,引导学生认识相对论的建立以及发展过程

作为近代物理最为卓越的成就,相对论的建立在科学发展史上具有十分重要的意义.新课程安排这些内容,目的是加强学生对科学方法、科学思想的认识,这也正符合新课标中有关“情感态度价值观”的教学要求.

以往的教学给学生灌输了这样一个有关认知世界的步骤:把“大量”的实验结果总结归纳起来,就是科学定律.事实上多数科学规律不能简单归纳,正如相对论的发现一样,爱因斯坦在已有知识背景和实验的基础上,大胆猜想提出两个基本假设:狭义相对性原理和光速不变原理,然后以此为出发点,推导出一系列的结论.也就是说,科学的猜想,或者说非逻辑的思维对认知世界的过程起到了非常重要的作用.牛顿就曾说过:“没有大胆的猜想,就没有伟大的发现.”

当然,猜想也不是无的放矢的胡思乱想,科学的猜想离不开实验这一基础.相对论发现的时代背景在于,经典物理绝对时空观无法解释迈克尔孙—莫雷实验、菲索实验等一些实验,而且相对论的进一步发展,更是在于有两个基本假设得到的一些推论不断得到实验证实.

二、以基本的相对论问题训练学生的思维能力

虽然新课标对相对论的要求只要达到“知道”、“了解”的程度,但是笔者认为运用最基本的原理处理相对论基本问题,这还是需要的.教师要深入到学生中去,及时发现学生解题时出现的每一个问题,适时点明要点,指明发生差错的原因.

比如,人教版教材在第二节内容后,配了这样一道习题.

地面上的人认为A、B两个事件同时发生.对于坐在火箭中沿两个事件发生地点连线飞行的人来说(B点在A点的前方),哪个事件先发生?

笔者在教学中发现,班级超过60%的学生这样分析本题:A、B两位置同时发出闪光,因为火箭与B位置距离较远,结合光速不变原理,B位置出发的光会需要更长的时间到达火箭,结论:火箭中的人认为,A事件先发生.

上述分析看似很容易理解,也很符合学生已有的知识结构,但却有着致命的逻辑错误:以地面为参考系描述的两个事件是A、B两位置发光;以火箭为参考系对比的是,两道闪光到达火箭这两个事件的先后.这样的结论显然是错误的.

正确的解题思路如下:设在AB连线中点的光源发出一个闪光,以地面为参考系,闪光到达A、B两地为“同时”发生的两个事件,以火箭为参考系,根据狭义相对论的假设,两个方向光的速度不变,A、B具有向左的速度,则可以说明B在“迎接”闪光,而A在“躲避”闪光(一个追及的问题).结论:火箭中的人认为,B事件先发生.物理的思维必须是严谨的,教师要提醒学生在具体问题的处理中切实做到这一点.

三、引导学生品味物理的和谐之美,让学生领略奇妙的相对论世界

限于学生的数学基础,本章节的很多内容都是定性分析,但是推理的严谨程度没有丝毫的弱化,如“时空相对性的验证”中提到的“μ子寿命的检验”.教科书以相对论基本原理和实验为基础,经过逻辑推理演绎,让学生理解和发现,进而得到那些如此简洁、和谐的神奇结论,并为实验观测所证实是正确的.这些内容都蕴含着物理的美学思想.

物理学的理论具有抽象和概括的特点,若不以美的眼光看待它,给人的感觉将是枯燥和艰涩.物理学的美是潜在的,只要引导学生去发现它,这种潜在的美就会变成一种实践力量被运用到学习当中,物理学习也就变成了审美活动,学生将发现学习物理是一种美的享受和对美的追求.

此外,畏难心理会让学生对疑难问题产生排斥情绪,故此很有必要适当拓展,增加一些能够激发学生兴趣的内容.

在相对论发展过程中,曾经有过很多针对佯谬的讨论,诸如“双生子佯谬”、“杀父佯谬”等等,这些都有很强的趣味性.此外,时空旅行也是容易引起学生共鸣的话题.教师引导学生去探讨这些问题的目的不在于讨论清楚每一个问题,而在于给学生展示一个更为奇妙的物理世界,促使他们向更为深入的领域自主探究.

综上所述,本章内容的重心,在于方法论的学习,在于思维能力的训练,在于学习兴趣的激发.尽管在这过程中,师生都需要付出更多的艰辛,但当理清思路后,大家都会发现收获颇多.正所谓“曲径通幽处,禅房花木深”.

(责任编辑:易志毅)