对人教版高中物理选修3-4教材中一幅插图的刍议

黄卫良

(张家港市乐余高级中学,江苏张家港 215621)

在人教版普通高中课程标准实验教科书《物理》3-4教材第97页中有一幅插图如图1所示,该图片选自辽宁教育出版社《人物摄影》2003年4月第 1版.教材编写组把本插图放在第15章“相对论简介”的首页,并配文“高速列车上发生了什么事情?小姑娘为什么感到惊奇?”.

图1

教材编写组选用本图片的目的是想用高速运动物体发生的“动尺变短”这一相对论效应来激发学生的兴趣而引入新课教学.但笔者认为教材“相对论简介”中选用这个图片是不妥当的,具体理由如下:

疑问1:高速列车车窗的横向长度的变化肉眼能不能辨别?

相对论中“长度的相对性”中给出了观察者相对杆运动而观察到沿运动方向杆长度的公式为

我们不妨代入数据来计算一下,取列车一个车窗静止横向长度 l0=1 m、速度 v=500 km/h(实际高速列车往往还没有这么快!),计算得到地面观察者看到的长度l=0.999 998 6 m,相对原长缩短了一千万分之十四!如此细微的长度变化,小姑娘能看出来吗?实际上本教材在103页第 4行中也承认“车辆、飞机等常见运动物体的速度 v远远小于光速c………所以日常生活中观察不到长度的相对性”.

疑问2:对快速移动的多个车窗和乘客,人的肉眼能否分辨出?

从该插图中我们可以隐隐约约看见高速列车的车窗和里面的乘客,但该图片实际不是小姑娘看见的,而是照相机用极短的快门拍摄的.实际的小姑娘去看高速行驶中的列车,只能看到一个横向的拖影,就好比我们普通的手机摄像头去拍快速移动的物体一样.

人眼对快速移动的物体分辨本领是很差的,以电视机显像管为例,只要每秒显示的帧数超过30帧,人眼由于“视觉残留”就不能分辨出到底有几个静止画面了而感觉是人物在动了.而对高速运动的列车(还是取速度500 km/h,约139 m/s,并取每米有一个车窗),每秒经过地面观察者的车窗数目约为139个,小姑娘的眼睛根本来不及反应而只能看到模糊的拖影,当然也不能看到每一个车窗的横向长度.

疑问3:图中小姑娘真的是看到相对论效应而惊奇吗?

在“相对论简介”新课教学首页插入本图并配文“高速列车上到底发生了什么事情,小姑娘为什么感到惊奇?”,会让学生在学习相对论知识后产生这样一个结论:小姑娘就是看到窗户变窄和乘客变细这样的相对论效应而惊奇.但实际拍摄时小姑娘真的在尝试观察相对论效应吗?

本插图来源于《人物摄影》杂志 2003年4月第1版,该杂志不是物理研究类期刊,而是面向大众摄影的杂志.该摄影爱好者拍摄本照片取景的焦点是图中的小姑娘矗立凝望高速列车的专注神情,作者的拍摄意图一定是尝试拍摄高速列车的相对论效应吗?如果图片作者不是为了研究相对论而拍摄,图中小姑娘也不是因为看到相对论效应(事实上也看不到)而惊奇,那么选用本图片并配文“高速列车上发生了什么事情?小姑娘为什么感到惊奇?”,这有悖于物理学严谨求实的学科特点.

综上所述,笔者认为教材中选用本图片是值得商榷的.