浅谈新课程背景下“相对论”的教学
长汀一中 刘成金
【摘 要】文章阐述了教师在新课程的背景下应如何开展相对论的教学。
【关键词】相对论 物理教学 新课程
新课程的高中物理教材中增加了许多新的教学内容，如逻辑电路、传感器、相对论、量子力学等等。这些新内容体现了教学内容的现代化。增加这些新内容的目的是开阔视野，增强学生学习物理的兴趣；启迪思想，帮助学生形成合理的科学观；以学生为本，把学生培养成具有一定科学素养的人。这些新内容对我们一线的物理教师提出了新的挑战。特别是博大精深、深奥难懂的相对论，它在物理教材的必修二与选修3－4都有出现，体现了相对论教学的重要性。
但在实际的教学过程中，却发现有许多教师并不太重视相对论的教学，而不少教师由于对相对论的相关概念内涵理解模糊，专业知识缺乏，给相对论的教学带来很大的困难。本文结合自己相对论的教学实践，以司南版物理教材选修3－4为例，浅谈教师在新课程的背景下应如何开展相对论的教学。
一、认识相对论在中学教学中的教育价值
《标准》中对相对论教学的要求
（1）知道狭义相对论的实验基础、基本原理和主要结论。
（2）了解经典时空观与相对论时空观的主要区别。体会相对论的建立对人类认识世界的影响。
（3）初步了解广义相对论的几个主要观点以及主要观测证据。
（4）关注宇宙学研究的新进展。
从《标准》可以看出相对论的知识与技能要求较低，相对论的教育价值主要在于情感态度与价值观方面上。通过爱因斯坦相对论的教学，使学生开阔眼界、活跃思维、增强学习兴趣；通过相对论的学习，体会人的感性认识与直接经验的局限性，敢于不迷信已有理论，以质疑的眼光、反思的意识、开放的心态去接受新事物；通过相对论的学习，体验爱因斯坦严谨的治学态度，学习爱因斯坦不迷信旧观念、大胆怀疑、坚持真理、敢于冲破条条框框的科学精神；通过相对论的发展史教学，使学生了解科学探索的方法，养成科学精神，引导学生立志创新、献身科学。
二、充分发挥物理学史的教育功能
通过物理学史的教学，带领学生体验从经典物理学发展到近代物理学的曲折过程，了解科学家在发展过程中的实验观测、困惑、试探和智慧，使学生受到科学的思维方法的熏陶，激发学生学习的热情与兴趣。
例如在教材的第一节中，通过介绍绝对时空观、经典物理学大厦、以太说、迈克尔逊实验、菲兹杰拉德和洛伦兹的收缩假说。让学生了解了经典物理学的巨大成就同时又置身于一朵乌云下，处于光速不变与速度合成的矛盾之中，为狭义相对论的提出做好铺垫。在教材的第二节中，通过介绍追光实验引起的沉思、以太漂移实验零结果的启示、爱因斯坦从哲学中吸取精神营养、光速不变与速度合成的矛盾的最终解决等等内容，使学生体验爱因斯坦相对论思想发展历经十年的曲折过程，体会到人的感性认识与直接经验的局限性，认识到科学探索的方法：实验和经验与原有认识的矛盾→（直觉、信念与洞察力）→以基本原理表示的猜想与假设→逻辑推理得出的结论→实验对结论的检验。
三、加强对教材内容的学习理解，提高专业素质。
“要给学生一杯水，自己要有一桶水”。对于教材中新内容，我们必须通过自身的学习，加深对教材内容的理解。这既有利于教学，也有利于自己的专业发展。教师的魅力最终要体现在专业素质上，体现在对所教学科的学术魅力上。
1．关于相对性理论的理解。
教材中的相对性理论：一个回答有关相对运动中不同观察者问题的物理理论，就是一个相对性理论。相对性理论的思想方法：超越从个别角度（在物理学里，就是参考系）认识问题的局限性，寻求不同参考系内各观测量之间的变换关系，以及变换过程中的那些不变性。
2．对经典力学的伽利略变换揭示了时空的绝对性的理解。
3．对时钟延缓效应推导的理解
在高速运动的列车上，车厢底部发出的闪光经平面镜反射又返回底部，设车上的人来观察的往返时间△t´，而车厢外的静止在地面上的人观察往返时间△t。
若根据光速度不变原理，我们不难得出
若根据经典物理学速度叠加原理，对于车厢外的人光速是：
不难得出
四、创设问题情景，加深学生对相对论结论的认识。
在实际教学中，我们要注重对相对论的结论分析，让学生正确了解认识相对论的几个重要结论。通过一个问题情景的创设，可以让学生置身问题情景中，在思考中得到体会，真正加深学生对相对论结论的认识目的。
例如：教材123页图6-11所举的关于“同时”的相对性的例子，创设问题：若是车上的Ｏ´观察者看到车灯Ａ´、Ｂ´同时亮了，那么地上的观察者Ｏ看到车灯如何？学生分析：观察者Ｏ将看到Ｂ´先亮。由此得出“同时”是相对的：相对于Ｏ观察者同时，相对于Ｏ´不同时；相对于Ｏ´观察者同时，相对于Ｏ不同时。
在时间延缓效应教学中，创设问题1：当飞船以0.9998 c 相对地球运动时，宇航员用 1 秒钟时间抬手，而地球上的人认为他用了多少秒的时间？宇航员在飞船上度过了一年的时间，而地球上的人观察他过了多少年？若是宇航员能活一百岁，那么地球上的人认为他活了几岁？通过计算分析，让学生认识到飞船上的钟变慢了，所有物理过程的节奏在地球上看都变慢了，时间延缓效应使人类实现遥远的星际旅行成为可能。创设问题2：当飞船以0.9998 c 相对地球运动时，若地球上的人用 1 秒钟时间抬手，而飞船上的宇航员认为他用了多少秒的时间？通过计算分析让学生认识时间延缓效应是相对的，从而正确理解固有时的概念。
在长度收缩的教学中。创设问题：静止长度为150m火车以u = 0.95 c 过山洞。(1)地面上的人观察到的火车多长。(2) 火车上的人观察到的火车多长。(3)若山洞的长度为300m，火车上的人观察到的山洞多长。通过计算分析让学生认识长度收缩效应是相对的，从而正确理解固有长度的概念。
在相对论的速度叠加公式的教学中。创设问题：分别讨论(1)v<<c时 (2)u´=c时(3) u´=c、v=c时对论的速度叠加公式的情况。通过计算分析(1)速度v很小时，简化为经典力学的速度叠加公式 (2)体现了光速不变原理(3)解释了爱因斯坦的追光假想实验。
五、充分利用课件视屏等多媒体进行教学
多媒体具有丰富的表现力，可以对抽象事物进行生动直观的表现，对复杂过程进行简化和再现。在教学中，我们应充分利用声音、动画、视频等多媒体手段，化抽象为形象，使学生有身临其境的感觉，从而激发学生的学习兴趣和求知欲望，引发学生主动探索，主动学习的积极性。
“同时”的相对性、时间延缓、长度收缩等，这些效应只有在高速运动的情况下才会有明显的观测结果，在低速世界(v<<c时)中这些效应可以忽略。由于学生没有任何实际的观察经验，在认识上容易形成思维障碍。在实际教学中，用flash课件模拟教材123页图6-11中“同时”的相对性、用光钟的课件演示图6-12中运动的时钟变慢效应、用火车过山洞的课件演示长度收缩效应。这些课件化抽象为形象，让学生对相对论的认识更加深刻，激发学生的学习兴趣和热情。
在教学中播放中央10套科学世界的广义相对论的光线弯曲和空间弯曲视屏、discover探索节目的时光旅行、宇宙的诞生等等。这些视屏使学生有身临其境的感觉，激发学生的探索宇宙的强烈欲望。
结语
新课程教材中新增的内容充分体现了新课标精神，并不是可有可无的。我们必须充分认识新增内容在中学教学中的教育价值，重视新增内容的教学。我们应加强对新增内容的学习，提高自身的专业素质。在日常教学中应灵活采用多种多样的教学方式，注重科学思想、方科学法的熏陶，从而达到新课标中“进一步提高科学素养，满足全体学生的终生发展需求”的要求。
参考文献：
１、司南版教材《物理选修3-4》山东科学技术出版社 2005年8月
２、《物理选修3-4》教师用书 山东科学技术出版社 2007年8月
３、《大学物理导论》 向义和主编 清华大学出版社 2001年4月
４、《多媒体技术及其应用》 清华大学出版社 李大友主编
