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高中狹義相對論的教法
高中狹義相對論的教法
摘 要:筆者發(fā)現(xiàn),只要“從愛因斯坦狹義相對論的兩個基本假設(shè)出發(fā),用‘光’作為測量工具”,就可以避開洛倫茲變換,利用中學(xué)生能夠理解的數(shù)學(xué)知識進(jìn)行相對論知識的傳授,使狹義相對論的觀點和公式在中學(xué)物理教學(xué)中變得十分簡捷、有效,容易接受。
本文介紹了利用這個方法,定量地進(jìn)行相對論相關(guān)公式(包括時間、長度、速度、質(zhì)量)的推導(dǎo)過程。
關(guān)鍵詞:時空觀;狹義相對論;教學(xué)方法
狹義相對論的時空觀由于其本身不太好理解,中學(xué)生對此知識是心生畏懼,所以一直是中學(xué)物理教學(xué)中的一個難點。
在教學(xué)探索過程中,筆者嘗試從愛因斯坦提出的狹義相對論的兩個基本假設(shè)出發(fā),凸顯用“光”作為測量工具的特色,避開用中學(xué)生難以理解的洛倫茲變換,用中學(xué)數(shù)學(xué)知識和中學(xué)生已經(jīng)掌握并理解了的物理規(guī)律,巧妙地推導(dǎo)出狹義相對論的主要觀點、結(jié)論和公式。
因為愛因斯坦的時空觀中,物體都是高速運(yùn)動的――物體以接近光速的速度在運(yùn)動,所以要“凸顯用‘光’作為測量工具的特色”。
這樣就將抽象的邏輯思維變成了高中生易于接受的形象思維,讓學(xué)生直觀地發(fā)現(xiàn)狹義相對論的結(jié)論,取得了很好的教學(xué)效果。
本文試將筆者的推導(dǎo)過程,展示如下:
說明1:狹義相對性原理:在不同的慣性參考系中,一切物理規(guī)律都是相同的。
本文選擇的參考系,都是慣性參考系,所用的規(guī)律,都是學(xué)生熟知的運(yùn)動學(xué)基本規(guī)律。
說明2:光速不變原理:真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的。
即光速與光源及觀察者間的相對運(yùn)動沒有關(guān)系,或者說真空中的光速是各向同性的。
說明3:用“光”作為測量工具,是本文的一個重要觀點。
我們應(yīng)該想到,狹義相對論研究的運(yùn)動,其速度都是可以和光速相比的,用一般的測量工具和方法,自然無法理解和導(dǎo)出狹義相對論的時空觀和相應(yīng)的公式。
而用“光”作為測量工具,則是一個十分簡捷、有效的方法。
本文所舉的例子就是用這個方法,緊扣上面的三點說明,來解決如何向中學(xué)生講解狹義相對論時空觀這個難題。
本文所舉的例子,都是仿照課本做法,以沿著平直的軌道勻速行駛且速度可以和光速相比的一列高速運(yùn)動的火車為模型,以下不再說明。
6 結(jié) 語
由本文介紹的方法可見,從狹義相對論兩個基本假設(shè)出發(fā),并用“光”作為測量工具,可以使學(xué)生感覺畏懼、難懂的狹義相對論,很輕松地傳授給中學(xué)生。
只要我們掌握了這個方法,就可以避開洛倫茲變換,輕松地向中學(xué)生講授狹義相對論,并且狹義相對論公式也不用再像教材那樣強(qiáng)行給出讓學(xué)生死記硬背,公式的推導(dǎo)也非常容易理解,使學(xué)生感到狹義相對論的基本時空觀和其他結(jié)論,都是“從狹義相對論的兩個基本假設(shè)出發(fā),并用‘光’作為測量工具”所推導(dǎo)出的必然結(jié)果,并不像想象和傳說中的那么神秘和另類了。
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