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浅谈新课程背景下“相对论”的教学

来源: 福建省长汀县第一中学  日期:2008-10-14  点击:973 

浅谈新课程背景下“相对论”的教学

 

长汀一中  刘成金

 

  】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34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34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 ,其实就是必修中所学的合运动与分运动的等时性。由此可知光速不变原理否定了经典物理学速度叠加原理,否定了绝对时空观。

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 (2)u´=c(3) u´=cv=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)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1236-11中“同时”的相对性、用光钟的课件演示6-12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   20058

2、《物理选修3-4》教师用书 山东科学技术出版社   20078

、《大学物理导论》  向义和主编   清华大学出版社 20014

4、《多媒体技术及其应用》  清华大学出版社  李大友主编

【编辑:陈 倩、俞文炎 审核:修红英 监制:吴江滨】
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