張琪 梁軍

摘 ? 要：“狹義相對論”是近代物理學(xué)的基石，中學(xué)階段開展“狹義相對論”教學(xué)，對于培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有極其重要的作用。教材是學(xué)生學(xué)習(xí)及教師教學(xué)的主要資源，文章選取中、美、英、德四國高中物理教材“狹義相對論”部分的知識點進(jìn)行分析對比，并進(jìn)行了一定程度上的內(nèi)容重構(gòu)，提出教學(xué)建議，以期為高中物理“狹義相對論”教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：高中物理;教材比較;狹義相對論;內(nèi)容重構(gòu)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2020）1-0019-4

“狹義相對論”是20世紀(jì)最偉大的成就之一，已被廣泛地應(yīng)用于物理學(xué)的各個領(lǐng)域。高中物理進(jìn)行“相對論”教學(xué)可以改變學(xué)生的時空觀、物質(zhì)觀和運動觀，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和科學(xué)探究能力。所以，高中進(jìn)行“狹義相對論”教學(xué)具有極其重要的意義。

1 ? ?問題的提出

早在1985年，查有梁先生就提出：“對于相對論的基本原理，只要在方法上有所突破，正如牛頓力學(xué)一樣，也可能較系統(tǒng)地教給學(xué)生”。然而，自1996年頒布的《全日制普通高級中學(xué)物理教學(xué)大綱（供試驗用）》將“狹義相對論”部分的知識點作為選學(xué)內(nèi)容引入高中物理課程以來，已有二十余年的歷史，“狹義相對論”知識在高中物理的教學(xué)并沒有取得很好的成效。

新頒布的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》[2]（下文中簡稱2017版《課程標(biāo)準(zhǔn)》）在必修2和選修3兩部分對“狹義相對論”的教學(xué)提出了要求。

必修2的要求：①知道牛頓力學(xué)的局限性，體會人類對自然界的探索是不斷深入的;②初步了解相對論時空觀（初步了解長度收縮效應(yīng)和時間延緩效應(yīng)）。

選修3的要求：①知道相對性原理和光速不變原理;②能利用公式解釋長度收縮效應(yīng)和時間延緩效應(yīng);③知道愛因斯坦質(zhì)能方程的意義。

我國現(xiàn)行有六個版本的高中物理教科書，分別由人民教育出版社（2010年）、人民教育出版社（2019年）、山東科學(xué)技術(shù)出版社、上海科學(xué)教育出版社、廣東教育出版社、教育科學(xué)出版社出版，下文中分別簡稱人教版（舊版）[3]、人教版（新版）[4]、魯科版[5]、滬科版[6]、粵教版[7-8]、教科版[9]。人教版（新版）是根據(jù)2017版《課程標(biāo)準(zhǔn)》編訂的基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的系列高中物理教科書，其中必修2中涉及到了“狹義相對論”的知識。人教版（新版）必修2只對相對論進(jìn)行了初步介紹，簡單描述了狹義相對論的時空觀，采用定性分析后直接給出公式的方式介紹了長度收縮效應(yīng)和時間延緩效應(yīng)。這是適合于絕大部分學(xué)生的教學(xué)內(nèi)容，但是對于一部分高中生來說（如對狹義相對論感興趣的學(xué)生、有能力參加高校自主招生或物理競賽的學(xué)生等），這些是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。2017版《課程標(biāo)準(zhǔn)》在選修3模塊中對“狹義相對論”提出了更高層次的要求，但是選修3模塊是由學(xué)校自主考核，目前出版的人教版（新版）系列教科書并不包括選修3部分。國內(nèi)其他版本的高中物理教科書都是依據(jù)2003版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）》編訂的，且“狹義相對論”部分知識點的選取存在著較大的差異。所以，本文分析了國內(nèi)外具有代表性的高中物理教材，對“狹義相對論”進(jìn)行內(nèi)容重構(gòu)并提出教學(xué)建議，為更系統(tǒng)、深入地進(jìn)行高中物理“狹義相對論”教學(xué)提供可供參考的文本。

2 ? ?中外高中物理教材“狹義相對論”知識點分析對比

本文選取了中、美、英、德四國的高中物理教材，對其“狹義相對論”內(nèi)容進(jìn)行分析對比。教材選取情況如下：中國現(xiàn)行六個版本的高中物理教科書（必修2和選修3涉及“狹義相對論”部分）、由美國物理教科書改編的《Physics Principle with Applications》[10]（國際版，下文簡稱AP教材）、英國物理教科書《New Understanding Physics for Advanced Level》[11]（下文簡稱A Level 教材）以及由上海教育出版社出版的根據(jù)德國卡爾斯魯厄物理教科書翻譯改編的《KPK物理高中精編版》[12]（下文簡稱KPK教材）?！禤hysics Principle with Applications》（國際版）是根據(jù)美國高中物理教科書《Physics Principle with Applications》改編的適用于美國AP課程及AP考試的國際版教材，此教材定位與本文想要探求的更深入、系統(tǒng)的“狹義相對論”教學(xué)相吻合。英國和德國都是教育體制發(fā)達(dá)的國家，兩國很早就進(jìn)行了一系列的教育改革，研究這兩個國家的教材，也有利于吸收先進(jìn)的教育理念進(jìn)行高中物理“狹義相對論”教學(xué)。

2.1 ? ?知識點選取情況

“狹義相對論”內(nèi)容多且復(fù)雜，高中物理教學(xué)應(yīng)該挑哪些知識教給學(xué)生，以怎樣的形式教給學(xué)生，這些都是需要探討的。筆者研究了本文所選高中物理教材“狹義相對論”的相關(guān)知識點，將涉及到的主要知識點歸納如下：伽利略相對性原理、邁克爾遜-莫雷實驗、狹義相對論兩條基本原理、洛倫茲變換、同時的相對性、時間間隔的相對性、長度的相對性、狹義相對論速度變換公式、絕對時空觀、相對論時空觀、相對論動量、相對論質(zhì)量、質(zhì)能方程。

表1是中外高中物理教材“狹義相對論”部分的知識點選取情況，總共有13個。

2.2 ? ?知識點分析

由表1可知，本文所選教材沒有一本包含所列舉的全部13個知識點。其中，滬科版包含的知識點最多，為12個;人教版（舊版）、粵教版包含11個知識點;教科版、美國AP教材包含10個知識點;魯科版包含9個知識點;人教版（新版）包含7個知識點;A Level教材包含6個知識點;KPK教材包含4個知識點。狹義相對論兩條基本原理、時間間隔的相對性、長度的相對性是全部教材都包含的知識點，這也是“狹義相對論”的核心內(nèi)容;大部分知識點都在一半以上的教材中出現(xiàn);但是某些知識點，如洛倫茲變換、相對論動量，只在某一本教材中出現(xiàn)。

基于2017版《課程標(biāo)準(zhǔn)》，出于為高中物理“狹義相對論”教學(xué)提供更系統(tǒng)、深入的參考文本的目的，筆者將對全部13個知識點進(jìn)行分析，進(jìn)行高中物理“狹義相對論”內(nèi)容重構(gòu)。

2.2.1 ? ?伽利略相對性原理

伽利略相對性原理在本文所選的教材中有6版都有所涉及。伽利略相對性原理是對經(jīng)典力學(xué)規(guī)律的概括與延伸，并且是引出經(jīng)典力學(xué)與“麥克斯韋電磁理論”光速不變矛盾的基礎(chǔ)，有利于學(xué)生理解狹義相對論的由來，應(yīng)該將其包含在高中物理“狹義相對論”教學(xué)內(nèi)容中。

2.2.2 ? ?邁克爾遜-莫雷實驗

邁克爾遜-莫雷實驗有力地支持了光速不變原理，且有利于讓學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)假設(shè)應(yīng)基于實驗事實基礎(chǔ)之上，應(yīng)將其包含在高中物理“狹義相對論”教學(xué)內(nèi)容中。

2.2.3 ? ?狹義相對論兩條基本原理

狹義相對論兩條基本原理——狹義相對性原理和光速不變原理是“狹義相對論”的基石，毋庸置疑，每本介紹“狹義相對論”的教材都會涉及到此知識，必須包含在“狹義相對論”教學(xué)內(nèi)容中。

2.2.4 ? ?洛倫茲變換

洛倫茲變換是“狹義相對論”中最基本的關(guān)系式，“狹義相對論”中的許多運動學(xué)結(jié)論和時空性質(zhì)都可以由洛倫茲變換推導(dǎo)得出，洛倫茲變換對于系統(tǒng)地理解“狹義相對論”具有重要的作用。但是，在本文選取的這9版教材中，卻只有滬科版涉及到了此知識，且只給出了公式，并沒有用此公式推導(dǎo)相關(guān)結(jié)論。雖然由狹義相對論兩條基本原理推導(dǎo)洛倫茲公式的過程不在高中所學(xué)范圍之內(nèi)，但是洛倫茲變換關(guān)系式的數(shù)學(xué)形式比較簡單，且由洛倫茲變換推導(dǎo)出同時的相對性、動鐘變慢、動尺收縮等結(jié)論時涉及到的推導(dǎo)過程以及在此過程中運用到的數(shù)學(xué)知識也并不復(fù)雜，沒有涉及到超綱的知識，是完全可以被高中生理解和接受的。所以，建議將洛倫茲變換知識點加入高中物理“狹義相對論”教學(xué)，采取定性分析、直接給出洛倫茲變換公式、由洛倫茲變換公式推導(dǎo)相關(guān)結(jié)論的教學(xué)形式，這也為實現(xiàn)2017版《課程標(biāo)準(zhǔn)》選修3中的要求“②能利用公式，解釋長度收縮效應(yīng)和時間延緩效應(yīng)”奠定了基礎(chǔ)。

2.2.5 ? ?同時的相對性

同時的相對性是狹義相對論的基本結(jié)論之一。雖然本文所選取的教材中有兩版不包含此知識點，但筆者認(rèn)為此結(jié)論是重要的，而且有利于學(xué)生循序漸進(jìn)地理解時間延緩效應(yīng)，應(yīng)該包含在“狹義相對論”教學(xué)內(nèi)容中。

2.2.6 ? ?時間間隔的相對性、長度的相對性

時間間隔的相對性、長度的相對性是“狹義相對論”最重要的結(jié)論，本文所選取的教材也全部都包含這兩個知識點。所以，這兩個知識點也是“狹義相對論”教學(xué)必須包含的。本文所選大部分教材用定性分析后直接給出結(jié)論的形式呈現(xiàn)相關(guān)知識點，基于讓學(xué)生更深刻地理解此結(jié)論，更深入、系統(tǒng)地了解“狹義相對論”的目的，建議采用定性分析加定量分析的形式呈現(xiàn)并進(jìn)行相關(guān)教學(xué)。

2.2.7 ? ?絕對時空觀、狹義相對論時空觀

絕對時空觀和狹義相對論時空觀不算是具體的“狹義相對論”的知識點，所以國外的教材并不包含這兩個知識點。但是，國內(nèi)高中物理教學(xué)強(qiáng)調(diào)物理觀念的形成，尤其是2017版《課程標(biāo)準(zhǔn)》頒布后，更是將物理觀念列為學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一，因此建議將這兩個知識點作為總結(jié)性結(jié)論呈現(xiàn)在“狹義相對論”教學(xué)內(nèi)容中。

2.2.8 ? ?狹義相對論速度變換公式

狹義相對論速度變換公式也是狹義相對論的重要結(jié)論之一，本文所選的9版教材中，有7版都涉及到了此公式。根據(jù)此公式可以推導(dǎo)出光速不變、光速最大等結(jié)論，表明狹義相對論的邏輯自洽性，因此，建議將此知識點包含在“狹義相對論”教學(xué)內(nèi)容中。

2.2.9 ? ?相對論動量、相對論質(zhì)量

相對論質(zhì)量、相對論動量的推導(dǎo)比較復(fù)雜，本文所選教材都是直接給出相關(guān)結(jié)論，且相對論動量只在AP教材中提到。相對論質(zhì)量、動量、能量相互聯(lián)系，為了讓學(xué)生更全面地理解“狹義相對論”，建議將相對論質(zhì)量、相對論動量包含在“狹義相對論”教學(xué)內(nèi)容中。

2.2.10 ? ?質(zhì)能方程

質(zhì)能方程是“狹義相對論”的一個非常重要的公式，是對近代物理和科技產(chǎn)生巨大影響的一個著名公式。本文所選教材大部分都涉及到了此公式，此知識點應(yīng)該包含在“狹義相對論”教學(xué)內(nèi)容中。

3 ? ?高中物理“狹義相對論”部分內(nèi)容重構(gòu)建議

基于以上對中外高中物理教材“狹義相對論”知識點的對比和分析，為實現(xiàn)更深入、系統(tǒng)地進(jìn)行高中物理“狹義相對論”教學(xué)的目的，筆者在人教版（舊版）選修3-4第十五章“相對論簡介”的基礎(chǔ)上，對其“狹義相對論”部分內(nèi)容進(jìn)行了內(nèi)容重構(gòu)。

“狹義相對論”內(nèi)容可分為三節(jié)：

第一節(jié)“相對論的誕生”，包含知識點：伽利略相對性原理、邁克爾遜-莫雷實驗、狹義相對論兩條基本原理;

第二節(jié)“狹義相對論時空觀”，包含知識點：洛倫茲變換、同時的相對性、時間間隔的相對性、長度的相對性、絕對時空觀、狹義相對論時空觀;

第三節(jié)“狹義相對論的其他結(jié)論”，包含知識點：速度變換公式、質(zhì)量公式、動量公式、質(zhì)能方程等。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4 ? ?結(jié) ?語

“狹義相對論”是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱之一，高中物理進(jìn)行“狹義相對論”教學(xué)具有重大的意義。然而，由于“狹義相對論”知識脫離學(xué)生的傳統(tǒng)經(jīng)驗，又與經(jīng)典力學(xué)知識相矛盾，所以大部分教師并不知道如何有效地進(jìn)行相關(guān)教學(xué)，尤其是不知道如何深入、系統(tǒng)地給學(xué)生講解“狹義相對論”的相關(guān)知識。本文基于此進(jìn)行了相關(guān)的內(nèi)容重構(gòu)，希望可以為高中物理“狹義相對論”教學(xué)提供可供參考的文本。對待“狹義相對論”的教學(xué)，高中教師更應(yīng)該不畏困難，理解其精髓，這樣才能將相對論知識更好地教給學(xué)生，讓學(xué)生了解“狹義相對論”。