在情景中生成问题、辨析问题、解决问题
时间：2020-03-19 05:23:21 来源：千叶帆 本文已影响人
2011年江苏高考物理卷第12题B(选修模块3-4)第(1)题，讨论了同时的相对性.
原题如图1所示，沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C.假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上的观测者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是
A.同时被照亮B.A先被照亮
C.C先被照亮D.无法判断
答案选C.
试题由课本上的习题改编而成，难度不大，但考生的错误率却不低.究其原因，学生对相对论中“同时”性的含义没有真正理解.试题中出现的问题真实地反映了实际教学中普遍存在的问题.新教材中增加了“相对论简介”这部分内容，很多教师对教材中这部分新增内容的教学有畏难情绪，平时的教学中对教材研究不够，由于涉及这部分内容的试题较少，相当多的教师只是让学生机械地记住了一些结论来应付考试中出现的问题，所以学生用学到的知识分析解决实际问题时，一筹莫展.
相对论中“时间和空间的相对性”问题是教学难点，“同时”的相对性的判断更是学生理解的难点.如何通过有效的教学降低难度，使学生更好地理解相对论时空理论的内含，是很多教师在教学中思考的问题.
相对论时空理论最大的特点是理论的抽象性.教学成功的关键，要突出一个中心，就是要突出以问题为中心的情景化教学，把教学的内容编制成问题情景，在情景中生成问题、辨析问题、解决问题，只有这样才能使学生在探究问题、解决问题的过程中真正理解相对论时空理论的内含；另外在教学中还要注意抓住两个基本点，即狭义相对论的两个基本假设，很多学生认为两个基本假设不难理解，只要背出来就能应付考试了，其实不然，狭义相对论的两个基本假设，有着深刻的内含，是相对论时空理论的两大基石，时间和空间的相对性是这两个基本假设的具体体现.只有真正理解两个基本假设的内含，才能分析解决实际问题.
下面笔者结合教学实践谈一些粗浅的体会.
1.两个基本假设的理解
狭义相对论的两个基本假设：一、狭义相对性原理——在不同的惯性系中，一切物理定律都相同；二、光速不变原理——光在真空中的传播速度在不同的惯性系中测得的数值都相同，与光源、观察者是否相对运动无关.
假设1强调所有惯性系地位的等价性.相对论研究的许多问题都与高速列车有关，当观察者在高速列车中研究问题时，可以将自己所在的列车看成一个可以无限延伸的背景空间，而发生相对运动的其它系统(包括地面)都可视为一个个高速运动的“列车”.
假设2，光速不变原理，强调真空中的光速不变，指光速大小既不光源或观察者的运动无关，也不与光的传播方向无关.由于光速不变原理与的日常经验相违背，所以在我们的潜意识中并不认同，在研究具体问题时，日常的经验会不自觉的跳出来干扰我们的思维和判断.光速不变原理提出以来确实受到了许多质疑，几十年来科学家采用各种先进的物理技术测量光速，结果都证实了光速不变原理.只有研究者确信光速不变原理，才能正确地用它分析问题、研究问题.
2.问题情景设置的案例分析
案例1“同时”的相对性问题的讨论
关于“同时”的相对性的讨论，笔者将教材中的素材编制了这样一系列的问题情景，让学生展开讨论.
问题1如图2，一列很长的火车沿平直轨道飞快地匀速行驶，车厢中央有一个光源发出了一个闪光，车厢中的观察者认为闪光照到车厢的前壁和后壁的次序怎样？地面的观察者认为闪光照到车厢前壁和后壁的次序又是怎样呢？
由此，请归纳结论：在运动的车厢中观察者认为同时发生的事件，在地面是的观察者认为应该哪个先发生？反之，在地面是的观察者认为同时发生的事件，在运动的车厢中观察者认为应该哪个先发生？
两个问题的根据是光速不变原理，通过具体的物理现象对同时的相对性进行判断，学生能够根据已有的知识作出判断.
如图3，根据光速不变原理，由于光在任何惯性参考系中，沿各个方向的速度不变，均为3×108 m/s，由于光源与车厢的前、后壁对称，所以车厢中的观察者认为闪光同时照到了车厢的前壁和后壁，即车上的人观察到这两个事件同时发生.
同样根据光速不变原理，光相对于地面参考系，沿各个方向的速度不变，但是，从光源发光到照亮车厢的前壁和后壁，光源相对前壁和后壁并不对称，闪光到达后壁时通过的距离较短，所以在地面的观察者认为闪光先到达后壁，后到达前壁.
后两个问题是对具体问题研究后进行的抽象.为了帮助学生理解，笔者当时编制了与今年的高考试题类似的物理情景.
问题2如图4所示.沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C.假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上的观测者观测得A、C两铁塔被照亮的顺序怎样呢？
有了具体模型，学生讨论就有了抓手.
如图5，在相对论中，所有惯性参考系的地位是等价的，所以在列车上的人看来，他自己处于静止状态，地面象一列高速行驶的列车迎面驶来.所以，地面上的观测者认为同时发生的事件，列车上的观测者观测到C铁塔先被照亮.
通过上述分析，学生对惯性参考系地位的等价性理解得更加透彻了.
由此，可以得到这样的结论：在运动的车厢中观察者认为同时发生的事件，地面的观察者认为先照到壁后.反之，在地面是的观察者认为同时发生的事件，在运动的车厢中的观察者看到光先照到前壁.
有了以上的铺垫，学生对同类问题的分析有了方法.
问题3如图6，一列火车以速度v相对于地面运动，若地面上的人测量某光源发出的光同时到达车厢的前壁和后壁，则按照火车上的人测量，光先到达前壁还是后壁？火车上的人怎样解释这种现象？
这个问题学生根据前两个问题的讨论方法，通过作图很快找到答案.
因为在光向前后壁传播的过程中，火车相对于地面向前运动了一段距离，所以光源发光的位置靠近前壁，光一定先到达前壁.
案例2长度的相对性
长度的相对性问题教材只是介绍了的结论，对公式的推导并不要求.
一个杆，当它沿着自身的方向相对于测量者运动时，测得的长度(l)比它静止时的长度(l0)小，速度越大，差别越大，二者的关系为l=l01-(vc)2.这就是空间的相对性.当杆沿着垂直于自身的方向运动时，测得的长度和静止时一样.
对于这部分教材的处理，笔者用了更为直观的方法，让学生感受“尺缩效应”的特点.
问题4一张宣传画5 m见方，平行地贴于铁路旁边的墙上，一高速列车以 2×108 m/s速度接近此宣传画，这张画由司机测量的结果如何？
显然，由
l=l01-(vc)2=51-(23)2
=3.7 m,
h=l9=5 m.
所以，画面的尺寸为5×3.7 m2.物体在运动方向的尺寸变小，在垂直运动方向的尺寸不变.
这个问题生动地揭示了由于物体的运动，造成了长度测量的相对性.
案例3时间间隔的相对性
与长度的相对性问题比较，时间间隔的相对性更为抽象，也可以用直观的物理模型进行说明.
在实际教学中，设计了这样一个情景.
问题5如图7.在高速运行的列车上，列车高为h，由车厢底部发出的闪光，对于车上的人来说，闪光是在竖直方向反射的，而车厢外的人认为被接收的反射光是沿斜线传播的.对于车厢内的人观察到光线经过的时间为：Δt0=对于车厢外的人观察到光线经过的时间为：Δt=,两个时间间隔的关系是.
对于车厢内的人观察到光线经过的时间Δt0=2hc；对于车厢外的人观察到光线经过的时间为：
Δt=2hvy=4h2c2-v2，
两个时间间隔的关系是
Δt=Δt01-(vc)2.
所以，同一个物理过程在相对静止的系统中观察到的为Δt0，在运动的系统中观察到的为Δt=Δt01-(vc)2，时间进程变慢了.由于列车在运动，车上的一切物理、化学过程和生命过程都变慢了：时钟走得慢了，化学反应慢了，甚至人的新陈代谢也变慢了……可是车上的人自己没有这种感觉，他们反而认为地面上的时间进程比火车上的慢，因为他们看到，地面正以同样的速度朝相反的方向运动！公式生动地展示了时间的相对性.
相对论“时间和空间的相对性”的教学，给广大高中物理教师提出了一个新的课题，用具体、直观的物理过程来诠释抽象的理论，是一个值得尝试的一个方法.
【作者单位：(215400)江苏省太仓市教研室】
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