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【学情分析】

在相对论教学之前，笔者专门调查了学生对相对论的了解情况。调查发现，所有的学生都听说过相对论，并且知道是由爱因斯坦创立的，但他们不知道相对论到底研究的是什么问题。76.3%的学生知道有狭义相对论和广义相对论之分。2.6%的学生听说过“钟慢尺缩”效应，13.8%的学生听说过“时空弯曲”，但对这些效应，他们并不知其所以然。学生了解相对论的途径，主要是通过阅读霍金的《时间简史》，大多数学生翻过这本书，但都因为读不懂而搁浅。学生认为相对论很难懂，但他们特别想知道相对论的基本观点和物理意义。在一部分同学心目中，认为世界上能懂相对论的科学家只有几个（这大概与他们道听途说的一些很流行的传闻有关）。几乎所有学生认为爱因斯坦因相对论而获得了诺贝尔物理学奖。这说明学生有学习相对论、了解相对论的兴趣和热情，但同时存在着诸多误解。

【教学目标】

《普通高中物理课程标准(实验)》对相对论的要求有四点[1]：（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。笔者的教学紧扣课标要求，从相对论的基本观点和重要结论、相对论的创立过程和实践检验、爱因斯坦的科学方法以及相对论对人类认识世界的重大影响四个方面展开。

【教学内容】

从高中学生认知发展的水平来看，他们不可能完全理解相对论的内容，而且也没有必要完全弄懂这些内容，教学要为学生的科学素养的提升精选学习材料进行教学。因此，教学内容的选择尤为重要。既要让学生了解相对论的基本思想和物理本质，还不能加入过多的数学和过难的内容。在认真比对国内外高中物理教材的基础上，笔者精心选择和组织了下面五个方面的内容：

一是物理学史实，如十九世纪末物理学的发展成就和经典物理学大厦的建成，“两朵乌云”的挑战，迈克尔逊-莫雷实验，爱因斯坦创立相对论的过程等。二是伽利略变换和经典时空观的基本观点。三是爱因斯坦狭义相对论的两条基本假设和六个重要结论，及其实验证据。四是广义相对论的两个基本假设和主要观测证据。五是对爱因斯坦的科学思想方法进行总结。知识结构如图1所示。

【教学过程、策略与方法】

1、注重在物理学史的背景下学习相对论

将物理学史引入物理教学，展现物理概念的建立过程，物理规律的发现过程，以及科学家的思想方法、人格魅力等，都是学生学习的素材。将物理学史和物理知识的教学有机结合起来，为学生创设原汁原味的教学情境，重温科学发现的历程，充分发挥物理学史的教育功能。相对论的教学离不开物理学史的支撑和渗透。在相对论的教学中，可以首先回顾物理学的发展史，尤其是19世纪末已经建构起来的经典物理系大厦以及当时科学家对未来物理学的思考。如开尔文伯爵认为，“科学大厦的框架已经建成，20世纪的物理学将主要是对已有理论的完善，以及对各种物理参数的精确化”，但同时他也指出，物理学的晴空中还有两朵令人不安的“乌云”，其中一朵是“以太漂移实验”的零结果。其次在完成牛顿时空观教学之后，可以简要介绍麦克斯韦方程中的光速因子，说明电磁场理论中光在真空的传播速度与参考系的选择无关，激发学生的认知冲突，紧接着简述爱因斯坦之前的科学家对这个问题的研究，尤其是洛伦兹为解决这个矛盾提出了长度收缩假设，彭加勒对牛顿的时空观进行了彻底的反思。并且告知学生这两个科学家都走到了相对论的大门但都止步于收缩假说。这些物理学史的内容可以把学生带入到一种探索发现的心境之中，为学生更好地理解相对论的基本观点提供支架，还可以使学生体会到科学发现的艰巨性。再次介绍爱因斯坦的思考过程，从16岁的追光实验以及他和他的朋友的讨论是如何使他意识到“光速不变的”这些物理史实。最后对爱因斯坦的相对论从发表到人们接受的过程中，引导学生体会固有观念对科学发展的束缚、实践是检验理论的唯一标准等等。

这里值得说明的是，“引用物理学史料必须十分谨慎小心，绝不能将道听途说作为立论的依据，也不可信口开河地将查无实证的一些名人轶事作为严肃的史实加以阐发”[2]。比如在一些介绍相对论的通俗读物和教科书中，往往把迈克尔逊-莫雷实验直接与爱因斯坦创建狭义相对论联系起来，过分夸大这一实验所起的作用。严格的科学史研究表明，“引导爱因斯坦创建相对论的最基本的线索还是电磁学。以太漂移实验的结果，特别是迈克尔逊-莫雷实验的零结果对于爱因斯坦的思考并不占据主导地位”[3]。也就是说，知道不知道这个实验，并不影响爱因斯坦的工作。给学生说明这一点，有利于学生对爱因斯坦科学方法的认识。另外，爱因斯坦是因成功解释了光电效应而摘得1921年诺贝尔物理学奖。

2、把握物理知识形成的逻辑结构

把握物理知识形成的逻辑结构，对于发展学生的思维有重要作用，也有利于学生认知结构的同化。教学中教学事件的设置，要符合爱因斯坦相对论建立的逻辑结构，具体环节如下：

（1）引导学生学习伽利略的相对性原理，即在不同的惯性系中，力学规律都是相同的。

（2）引导学生认识伽利略的速度变换公式无法解释麦克斯韦电磁场理论所得到的光速 EMBED Equation.DSMT4 却不随所选取的参考系的变化而变化，即光速与参考系的选择无关。

（3）面对矛盾，引导学生寻找解决之法，要么是伽利略的相对性原理错了，要么是麦克斯韦的电磁场理论错了。

（4）给出几个支持麦克斯韦理论的实验依据，如1849年的斐索实验，1887年的迈克尔逊-莫雷实验等。

（5）引导学生认识到，在不同的惯性系中，不仅力学规律都是相同的，一切物理规律都是相同的，当然这只是一个假说。

（6）介绍爱因斯坦的追光实验，结合麦克斯韦的理论，得出“光速不变原理”，这是狭义相对论的另一个假说。

（7）通过实例，引导学生认识到“同时是相对的”，并和学生一起推导时间延缓效应的表达式 EMBED Equation.DSMT4 ，并且对其物理意义进行解释。

（8）给出长度缩短的表达式 EMBED Equation.DSMT4 ，通过实例解释其物理意义。

（9）认识相对论的时空观，简述时空相对性的验证实验。并将相对论的时空观和牛顿的时空观进行比较。

（10）给出相对论速度变换公式 EMBED Equation.DSMT4 ，其中 EMBED Equation.DSMT4 指物体相对于参考系的速度， EMBED Equation.DSMT4 指两个参考系的相对速度。通过教材中的“思考与讨论”认识相对论的自洽性[4]。

（11）通过牛顿力学中可以推导出物理的速度可以无限大与光速不变的矛盾，得出物体的质量有可能随速度的增大而增大，给出质速关系 EMBED Equation.DSMT4 ，其中 EMBED Equation.DSMT4 为物体的静止质量。由此得出，光速是速度的极限的结论。

（12）给出质能关系 EMBED Equation.DSMT4 ，这个关系在选修3-5中会详细介绍，这里可以简单提一下。