浅谈大学物理教学中思想性和趣味性的融入*——以“时间的相对性”为例

常 旭

(江苏建筑职业技术学院信电工程学院 江苏 徐州 221116;商丘师范学院电子电气工程学院 河南 商丘 476000)

曾庆国 尹乃强

(商丘师范学院电子电气工程学院 河南 商丘 476000)

物理学是研究物质的基本结构、相互作用以及运动规律的自然科学.它所展现的科学的世界观和方法论深刻影响着人类对自然界的基本认识和思维方式,是人类文明发展的重要基石[1].大学物理是面向广大理工科学生而开设的一门专业基础必修课程,在为学生奠定必要的物理基础,培养学生科学的世界观和方法论,增强学生分析、解决问题的能力,培养学生的探究精神和创新意识等方面,发挥着极其重要的作用.物理学的知识体系具有十分强的系统性,所以大学物理相对于中学物理而言,在经典物理部分,二者的知识框架基本是一致的,涵盖力、热、光、电、磁这几大方面,主要的差别在于大学物理借助了矢量和微积分这两种数学工具,使得我们能解决的问题由特殊扩展至一般,具有更广泛性;以热学部分为例,大学物理新增了利用统计的方法从微观的角度研究热现象和热规律,即气体动理论,在光学部分中,大学物理主要研究物理光学,重点放在光的干涉、衍射和偏振现象上.此外,大学物理新增了近代以来物理学的新成就,例如相对论和量子物理部分.在这样的情况下,一方面是新的数学工具,一方面是新的知识点,使得部分学生在进行大学物理学习时,感到难度较大且比较枯燥,所以如何激发学生的学习兴趣,有效地利用大学物理这一课堂阵地对学生进行培养,实现学术性和趣味性的双赢是我们在大学物理教学过程中值得探索的一项工作.

同时,根据《高等学校课程思政指导纲要》的要求,课程思政建设要在所有学科全面推进,将课程思政建设内容有机融于课程教学,而大学物理涉及到的知识包含了人类对自然界的认知和运动规律的探索过程,充分体现了物理教学蕴含的文化基因和价值范式[1].所以,大学物理本身就是一门独具特色的思政课程,在人才培养的过程中,理所当然地应担负起“守好一段渠、种好责任田”的育人功能.而我们知道,物理学知识源于生活,又必然走向生活,所以将生活生产实际与物理教学相融合也是十分必要的.

为此,在大学物理课堂教学中,思想性和趣味性的融入具有重大的意义,有助于激发学生的学习兴趣,有助于知识传授和价值引领的融合,从而提高育人的质量.在本文中,我们将以马文蔚先生主编的《物理学》(第七版)中的“时间的相对性”这一知识点为例[2],探讨在教学过程中如何实现思想性和趣味性的融入.

1 知识体系

近代以来,物理学的所有重大成就几乎都建立于相对论和量子理论的基础之上,狭义相对论在当代物理学知识体系中处于基础性的地位,是大学物理知识体系中一个重要的部分[3].而狭义相对论的时空观与人们日常的认知大相径庭,是对经典力学时空观念的一个颠覆,所以往往不容易被学生所接受.在讲解该知识点的过程中,加强思想性和趣味性的融入有助于激发学生学习的兴趣,能深化学生对知识的理解,同时实现课程思政教育.

狭义相对论下关于时间的认识包含了两个层面,一个是“同时的相对性”,在此基础上推断时间的测量也应该具有相对性,经过定性分析和定量讨论得到“时间膨胀效应”,二者间存在递进的关系,它们的物理基础是狭义相对论的基本原理,数学基础是洛伦兹时间变换关系.狭义相对论的时间观较经典力学的时间观更具有广泛性,在低速运动的情况下,前者回归至后者,这一点和洛伦兹变换在低速情况下回归至伽利略变换是一致的.

2 从课程设计看思想性和趣味性的融入

2.1 引课环节

先简述17世纪到19世纪经典物理学的成就,说明物理学家认为经典物理学的大厦已基本建立,剩下的只是修饰性的工作,或者是小数点后面多增加几位数字而已.然而,在1900年4月27日,英国著名物理学家开尔文男爵在英国皇家学会发表了题为《在热和光动力理论上空的十九世纪的乌云》的演讲,他指出物理学美丽而晴朗的天空被两朵乌云笼罩,他所说的第一朵乌云是指迈克尔逊-莫雷实验的结果和光是通过以太作为媒质传播的假设相矛盾,这便是狭义相对论创立的历史背景.那么,在狭义相对论下,人们对时空的认识又是如何呢?下面可从人类对时空的认识过程,对学生进行爱国主义和辩证唯物主义的教育.从“河图洛书”谈起,它们是河洛文化的滥觞,中华文明的源头,被誉为“宇宙魔方”.河图是一组代表数字的圆点的一种排列,其最大奥妙在于把单数连在一起,再把双数连在一起,就形成两条相互交织的螺旋线.日月轮转,昼夜交替,时间流逝,蕴含了华夏文明中朴素的时空观,即宇宙是一个螺旋展开的时空,体现了中华文化深厚的底蕴,可以激发学生对中华传统文化的热爱和民族自豪感.接着讲对时间的认识是人类永恒的话题,值得我们去探索,并提出两个问题请学生思考.

问题1:地球上同时发生的两件事,在“天宫一号”空间站的宇航员看来是否同时发生?

问题2:光速旅行能让人长生不老吗?这里讲述“孪生子佯谬”,孪生兄弟中的哥哥做接近光速的旅行,十分钟后返回地面,发现弟弟已是白发苍苍的老人,哥哥还是风华正茂的翩翩少年,这是为什么呢?

在此提出这两个问题,留下悬念,能激发学生学习兴趣,引发学生思考,并导入新课.

2.2 知识点的讲授环节

在“同时的相对性”部分,借助“爱因斯坦火车”思想实验,模型如下:火车相对于地面以速度v做匀速直线运动,小男孩站在火车上,小女孩站在地面上,车厢正中间有盏灯发出光信号,把车厢后壁和前壁分别接收到光信号作为事件1和2.现在的问题是:在小男孩和小女孩看来,车厢前后壁是否同时接收到光信号呢?先定性分析,小男孩以车厢为参考系,在他看来,光信号向前和向后传播的速度是一样的,所走的距离也相同,所以光信号同时到达车厢前后壁;小女孩以地面为参考系,在她看来,后壁是以速度v迎向光信号,前壁则是以速度v背离光信号,所以光信号先到达车厢后壁.由此可见,在车厢参考系同时发生的两件事在地面参考系看来并非同时发生.接下来定量讨论,以地面为S系,车厢为S′系,事件1、2在两个参考系中有着不同的时空坐标.假设:S系中x1和x2两处分别发生两件事,时间间隔Δt=t2-t1,求在S′系中这两件事发生的时间间隔Δt′.利用洛伦兹时间变换式,分别得出

和

二者相减可得

以Δt′为基础,分4种情况讨论在两个参考系中两个事件的同时性,为了增加趣味性,可以借助具体的例子进行辅助说明.

情况1:Δx≠0,Δt=0,在S系中同时不同地的两件事,在S′系中是否同时发生?例如,将地面和空间站分别作为S系和S′系,地面参考系中A医院和B医院早上7点钟各出生一个婴儿,在空间站S′系中的宇航员看来这两个婴儿是否同时出生呢?计算可知,此时Δt′≠0,在宇航员看来两个婴儿不是同时出生.

情况2:Δx=0,Δt≠0,在S系中同地不同时的两件事,在S′系中是否同时发生?例如,A医院早上7点钟和8点钟各出生一个婴儿,在空间站中的宇航员看来这两个婴儿是否同时出生呢?计算可知,此时Δt′≠0,在宇航员看来两个婴儿不是同时出生.

情况3:Δx=0,Δt=0,在S系中同地同时的两件事,在S′系中是否同时发生?例如,A医院早上7点钟出生两个婴儿,在空间站中的宇航员看来这两个婴儿是否同时出生呢?很明显,此时Δt′=0,在宇航员看来两个婴儿也是同时出生的.

由此可见,虽然我们日常生活中常说眼见为实,其实有的时候“眼不见也为实”,比如这里的特例,在地面上的人看来,两个孩子并非同时出生,但在空间站的宇航员看来,两个孩子却是同时出生的.因此对我们来说没有发生的事情,对宇航员却是实实在在的,这是因为我们的参考系不同,所站角度不同.这里进行总结:同时性具有相对意义,沿两个惯性系的运动方向,不同地点发生的两件事,在其中一个惯性系中是同时的,在另一惯性系中观察则不同时;只有同时同地发生的两件事,在其他惯性系中观察才是同时的.此处自然而然地融入思政元素:看待人生和世界也应该采用辩证的观点,鼓励学生超越自身的局限,提高自己的思想深度、眼界宽度、境界高度和胸怀广度,多角度地、用辩证的思维审视一个问题,将会得到不同的结果[3].经过这样的一个讲解过程,将物理理论和生活实例相联系,可以激发学生学习的兴趣,寓教于乐,使得晦涩的理论变得容易理解和接受,而且潜移默化地对学生进行了世界观和人生观的教育,同时也与引课环节提出的第一个问题相呼应.

和

时间间隔为

我们把同一地点发生的两事件的时间间隔称为固有时间τ0,所以车厢S′系中测得的B点发射和接收光信号的时间间隔为固有时间.地面相对于车厢做匀速直线运动,在地面上测得的时间为运动时间τ,显然τ>τ0,即运动时间大于固有时间,这种现象称为时间膨胀效应,也称为“动钟变慢”.由此可见,时间的流逝不是绝对的,运动将改变时间的进程,生命在于运动,激励学生拥有积极主动的人生态度,只争朝夕,不负韶华.

利用上述的“时间膨胀效应”可以解释引课环节提出的第二个问题——“孪生子佯谬”.哥哥摩托车的速度接近于光速,他在太空旅行的10分钟,是固有时间,弟弟测得的时间为运动时间,计算可得,弟弟测量的时间为3千多万分钟,约为60年.所以哥哥归来时依旧是少年,弟弟则进入暮年.这种处理方法解释了之前的预留问题,前后呼应,趣味性强,吸引学生注意力,让学生为最后所得结论唏嘘不已,加深了对知识的理解.

3 结论

本文立足狭义相对论的传承脉络和爱因斯坦的思想架构,对“狭义相对论的时间观”这一知识点进行案例分析,从“同时”的相对性和“时间膨胀效应”这个方面,加强了学生对时间概念的认识.在进行知识传授的过程中,培养学生追求真理、勇于创新的科学发展观念,教给学生辩证唯物主义哲学观,鼓励学生站在一个更高的维度去观察世界和人生的意识,从而使学生树立正确的人生观、世界观,增强学生思维的广阔性、深刻性和敏锐性,并深入挖掘中华传统文化元素,借助“河图洛书”中朴素的时空观,引导学生了解我国的古典文化,有助于树立学生的文化自信.依照本文的方法,将哲学思想和生活实例同物理理论相结合,一方面有助于学生对物理知识的掌握,还能提升学生的思想认知,激发学生的学习兴趣,实现将物理走向生活的目的.