高中狭义相对论的教法浅论

李如虎

摘 要：笔者发现，只要“从爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设出发，用‘光作为测量工具”，就可以避开洛伦兹变换，利用中学生能够理解的数学知识进行相对论知识的传授，使狭义相对论的观点和公式在中学物理教学中变得十分简捷、有效，容易接受。本文介绍了利用这个方法，定量地进行相对论相关公式（包括时间、长度、速度、质量）的推导过程。

关键词：时空观；狭义相对论；教学方法

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）12-0015-3

狭义相对论的时空观由于其本身不太好理解，中学生对此知识是心生畏惧，所以一直是中学物理教学中的一个难点。在教学探索过程中，笔者尝试从爱因斯坦提出的狭义相对论的两个基本假设出发，凸显用“光”作为测量工具的特色，避开用中学生难以理解的洛伦兹变换，用中学数学知识和中学生已经掌握并理解了的物理规律，巧妙地推导出狭义相对论的主要观点、结论和公式。因为爱因斯坦的时空观中，物体都是高速运动的——物体以接近光速的速度在运动，所以要“凸显用‘光作为测量工具的特色”。这样就将抽象的逻辑思维变成了高中生易于接受的形象思维，让学生直观地发现狭义相对论的结论，取得了很好的教学效果。本文试将笔者的推导过程，展示如下：

说明1：狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。本文选择的参考系，都是惯性参考系，所用的规律，都是学生熟知的运动学基本规律。

说明2：光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。即光速与光源及观察者间的相对运动没有关系，或者说真空中的光速是各向同性的。

说明3：用“光”作为测量工具，是本文的一个重要观点。我们应该想到，狭义相对论研究的运动，其速度都是可以和光速相比的，用一般的测量工具和方法，自然无法理解和导出狭义相对论的时空观和相应的公式。而用“光”作为测量工具，则是一个十分简捷、有效的方法。本文所举的例子就是用这个方法，紧扣上面的三点说明，来解决如何向中学生讲解狭义相对论时空观这个难题。本文所举的例子，都是仿照课本做法，以沿着平直的轨道匀速行驶且速度可以和光速相比的一列高速运动的火车为模型，以下不再说明。

6 结 语

由本文介绍的方法可见，从狭义相对论两个基本假设出发，并用“光”作为测量工具，可以使学生感觉畏惧、难懂的狭义相对论，很轻松地传授给中学生。只要我们掌握了这个方法，就可以避开洛伦兹变换，轻松地向中学生讲授狭义相对论，并且狭义相对论公式也不用再像教材那样强行给出让学生死记硬背，公式的推导也非常容易理解，使学生感到狭义相对论的基本时空观和其他结论，都是“从狭义相对论的两个基本假设出发，并用‘光作为测量工具”所推导出的必然结果，并不像想象和传说中的那么神秘和另类了。

参考文献：

[1]张大昌.普通高中课程标准实验教科书 物理选修3-4[M].北京：人民教育出版社，2007.

[2]程守珠，江之永.普通物理学（第五版）[M]. 北京：高等教育出版社，1999.

[3]黄皓.“时间和空间的相对性”教学设计的创新[J].湖南中学物理， 2012（7）：65—66.

[4]李梅，周向群.中学狭义相对论教学构想[J].物理教师， 2013，34（12）：27—30.

[5]蔡领.关于相对论质量公式的简便推导[J].安徽工业大学学报，2006，23（1）：116.

（栏目编辑 刘 荣）