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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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