常 旭

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院信電工程學(xué)院 江蘇 徐州 221116;商丘師范學(xué)院電子電氣工程學(xué)院 河南 商丘 476000)

曾慶國(guó) 尹乃強(qiáng)

(商丘師范學(xué)院電子電氣工程學(xué)院 河南 商丘 476000)

物理學(xué)是研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、相互作用以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的自然科學(xué).它所展現(xiàn)的科學(xué)的世界觀和方法論深刻影響著人類對(duì)自然界的基本認(rèn)識(shí)和思維方式,是人類文明發(fā)展的重要基石[1].大學(xué)物理是面向廣大理工科學(xué)生而開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)必修課程,在為學(xué)生奠定必要的物理基礎(chǔ),培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的世界觀和方法論,增強(qiáng)學(xué)生分析、解決問題的能力,培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和創(chuàng)新意識(shí)等方面,發(fā)揮著極其重要的作用.物理學(xué)的知識(shí)體系具有十分強(qiáng)的系統(tǒng)性,所以大學(xué)物理相對(duì)于中學(xué)物理而言,在經(jīng)典物理部分,二者的知識(shí)框架基本是一致的,涵蓋力、熱、光、電、磁這幾大方面,主要的差別在于大學(xué)物理借助了矢量和微積分這兩種數(shù)學(xué)工具,使得我們能解決的問題由特殊擴(kuò)展至一般,具有更廣泛性;以熱學(xué)部分為例,大學(xué)物理新增了利用統(tǒng)計(jì)的方法從微觀的角度研究熱現(xiàn)象和熱規(guī)律,即氣體動(dòng)理論,在光學(xué)部分中,大學(xué)物理主要研究物理光學(xué),重點(diǎn)放在光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象上.此外,大學(xué)物理新增了近代以來(lái)物理學(xué)的新成就,例如相對(duì)論和量子物理部分.在這樣的情況下,一方面是新的數(shù)學(xué)工具,一方面是新的知識(shí)點(diǎn),使得部分學(xué)生在進(jìn)行大學(xué)物理學(xué)習(xí)時(shí),感到難度較大且比較枯燥,所以如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,有效地利用大學(xué)物理這一課堂陣地對(duì)學(xué)生進(jìn)行培養(yǎng),實(shí)現(xiàn)學(xué)術(shù)性和趣味性的雙贏是我們?cè)诖髮W(xué)物理教學(xué)過(guò)程中值得探索的一項(xiàng)工作.

同時(shí),根據(jù)《高等學(xué)校課程思政指導(dǎo)綱要》的要求,課程思政建設(shè)要在所有學(xué)科全面推進(jìn),將課程思政建設(shè)內(nèi)容有機(jī)融于課程教學(xué),而大學(xué)物理涉及到的知識(shí)包含了人類對(duì)自然界的認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的探索過(guò)程,充分體現(xiàn)了物理教學(xué)蘊(yùn)含的文化基因和價(jià)值范式[1].所以,大學(xué)物理本身就是一門獨(dú)具特色的思政課程,在人才培養(yǎng)的過(guò)程中,理所當(dāng)然地應(yīng)擔(dān)負(fù)起“守好一段渠、種好責(zé)任田”的育人功能.而我們知道,物理學(xué)知識(shí)源于生活,又必然走向生活,所以將生活生產(chǎn)實(shí)際與物理教學(xué)相融合也是十分必要的.

為此,在大學(xué)物理課堂教學(xué)中,思想性和趣味性的融入具有重大的意義,有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,有助于知識(shí)傳授和價(jià)值引領(lǐng)的融合,從而提高育人的質(zhì)量.在本文中,我們將以馬文蔚先生主編的《物理學(xué)》(第七版)中的“時(shí)間的相對(duì)性”這一知識(shí)點(diǎn)為例[2],探討在教學(xué)過(guò)程中如何實(shí)現(xiàn)思想性和趣味性的融入.

1 知識(shí)體系

近代以來(lái),物理學(xué)的所有重大成就幾乎都建立于相對(duì)論和量子理論的基礎(chǔ)之上,狹義相對(duì)論在當(dāng)代物理學(xué)知識(shí)體系中處于基礎(chǔ)性的地位,是大學(xué)物理知識(shí)體系中一個(gè)重要的部分[3].而狹義相對(duì)論的時(shí)空觀與人們?nèi)粘５恼J(rèn)知大相徑庭,是對(duì)經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀念的一個(gè)顛覆,所以往往不容易被學(xué)生所接受.在講解該知識(shí)點(diǎn)的過(guò)程中,加強(qiáng)思想性和趣味性的融入有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,能深化學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解,同時(shí)實(shí)現(xiàn)課程思政教育.

狹義相對(duì)論下關(guān)于時(shí)間的認(rèn)識(shí)包含了兩個(gè)層面,一個(gè)是“同時(shí)的相對(duì)性”,在此基礎(chǔ)上推斷時(shí)間的測(cè)量也應(yīng)該具有相對(duì)性,經(jīng)過(guò)定性分析和定量討論得到“時(shí)間膨脹效應(yīng)”,二者間存在遞進(jìn)的關(guān)系,它們的物理基礎(chǔ)是狹義相對(duì)論的基本原理,數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是洛倫茲時(shí)間變換關(guān)系.狹義相對(duì)論的時(shí)間觀較經(jīng)典力學(xué)的時(shí)間觀更具有廣泛性,在低速運(yùn)動(dòng)的情況下,前者回歸至后者,這一點(diǎn)和洛倫茲變換在低速情況下回歸至伽利略變換是一致的.

2 從課程設(shè)計(jì)看思想性和趣味性的融入

2.1 引課環(huán)節(jié)

先簡(jiǎn)述17世紀(jì)到19世紀(jì)經(jīng)典物理學(xué)的成就,說(shuō)明物理學(xué)家認(rèn)為經(jīng)典物理學(xué)的大廈已基本建立,剩下的只是修飾性的工作,或者是小數(shù)點(diǎn)后面多增加幾位數(shù)字而已.然而,在1900年4月27日,英國(guó)著名物理學(xué)家開爾文男爵在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)發(fā)表了題為《在熱和光動(dòng)力理論上空的十九世紀(jì)的烏云》的演講,他指出物理學(xué)美麗而晴朗的天空被兩朵烏云籠罩,他所說(shuō)的第一朵烏云是指邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和光是通過(guò)以太作為媒質(zhì)傳播的假設(shè)相矛盾,這便是狹義相對(duì)論創(chuàng)立的歷史背景.那么,在狹義相對(duì)論下,人們對(duì)時(shí)空的認(rèn)識(shí)又是如何呢?下面可從人類對(duì)時(shí)空的認(rèn)識(shí)過(guò)程,對(duì)學(xué)生進(jìn)行愛國(guó)主義和辯證唯物主義的教育.從“河圖洛書”談起,它們是河洛文化的濫觴,中華文明的源頭,被譽(yù)為“宇宙魔方”.河圖是一組代表數(shù)字的圓點(diǎn)的一種排列,其最大奧妙在于把單數(shù)連在一起,再把雙數(shù)連在一起,就形成兩條相互交織的螺旋線.日月輪轉(zhuǎn),晝夜交替,時(shí)間流逝,蘊(yùn)含了華夏文明中樸素的時(shí)空觀,即宇宙是一個(gè)螺旋展開的時(shí)空,體現(xiàn)了中華文化深厚的底蘊(yùn),可以激發(fā)學(xué)生對(duì)中華傳統(tǒng)文化的熱愛和民族自豪感.接著講對(duì)時(shí)間的認(rèn)識(shí)是人類永恒的話題,值得我們?nèi)ヌ剿?并提出兩個(gè)問題請(qǐng)學(xué)生思考.

問題1:地球上同時(shí)發(fā)生的兩件事,在“天宮一號(hào)”空間站的宇航員看來(lái)是否同時(shí)發(fā)生?

問題2:光速旅行能讓人長(zhǎng)生不老嗎?這里講述“孿生子佯謬”,孿生兄弟中的哥哥做接近光速的旅行,十分鐘后返回地面,發(fā)現(xiàn)弟弟已是白發(fā)蒼蒼的老人,哥哥還是風(fēng)華正茂的翩翩少年,這是為什么呢?

在此提出這兩個(gè)問題,留下懸念,能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,引發(fā)學(xué)生思考,并導(dǎo)入新課.

2.2 知識(shí)點(diǎn)的講授環(huán)節(jié)

在“同時(shí)的相對(duì)性”部分,借助“愛因斯坦火車”思想實(shí)驗(yàn),模型如下:火車相對(duì)于地面以速度v做勻速直線運(yùn)動(dòng),小男孩站在火車上,小女孩站在地面上,車廂正中間有盞燈發(fā)出光信號(hào),把車廂后壁和前壁分別接收到光信號(hào)作為事件1和2.現(xiàn)在的問題是:在小男孩和小女孩看來(lái),車廂前后壁是否同時(shí)接收到光信號(hào)呢?先定性分析,小男孩以車廂為參考系,在他看來(lái),光信號(hào)向前和向后傳播的速度是一樣的,所走的距離也相同,所以光信號(hào)同時(shí)到達(dá)車廂前后壁;小女孩以地面為參考系,在她看來(lái),后壁是以速度v迎向光信號(hào),前壁則是以速度v背離光信號(hào),所以光信號(hào)先到達(dá)車廂后壁.由此可見,在車廂參考系同時(shí)發(fā)生的兩件事在地面參考系看來(lái)并非同時(shí)發(fā)生.接下來(lái)定量討論,以地面為S系,車廂為S′系,事件1、2在兩個(gè)參考系中有著不同的時(shí)空坐標(biāo).假設(shè):S系中x1和x2兩處分別發(fā)生兩件事,時(shí)間間隔Δt=t2-t1,求在S′系中這兩件事發(fā)生的時(shí)間間隔Δt′.利用洛倫茲時(shí)間變換式,分別得出

和

二者相減可得

以Δt′為基礎(chǔ),分4種情況討論在兩個(gè)參考系中兩個(gè)事件的同時(shí)性,為了增加趣味性,可以借助具體的例子進(jìn)行輔助說(shuō)明.

情況1:Δx≠0,Δt=0,在S系中同時(shí)不同地的兩件事,在S′系中是否同時(shí)發(fā)生?例如,將地面和空間站分別作為S系和S′系,地面參考系中A醫(yī)院和B醫(yī)院早上7點(diǎn)鐘各出生一個(gè)嬰兒,在空間站S′系中的宇航員看來(lái)這兩個(gè)嬰兒是否同時(shí)出生呢?計(jì)算可知,此時(shí)Δt′≠0,在宇航員看來(lái)兩個(gè)嬰兒不是同時(shí)出生.

情況2:Δx=0,Δt≠0,在S系中同地不同時(shí)的兩件事,在S′系中是否同時(shí)發(fā)生?例如,A醫(yī)院早上7點(diǎn)鐘和8點(diǎn)鐘各出生一個(gè)嬰兒,在空間站中的宇航員看來(lái)這兩個(gè)嬰兒是否同時(shí)出生呢?計(jì)算可知,此時(shí)Δt′≠0,在宇航員看來(lái)兩個(gè)嬰兒不是同時(shí)出生.

情況3:Δx=0,Δt=0,在S系中同地同時(shí)的兩件事,在S′系中是否同時(shí)發(fā)生?例如,A醫(yī)院早上7點(diǎn)鐘出生兩個(gè)嬰兒,在空間站中的宇航員看來(lái)這兩個(gè)嬰兒是否同時(shí)出生呢?很明顯,此時(shí)Δt′=0,在宇航員看來(lái)兩個(gè)嬰兒也是同時(shí)出生的.

由此可見,雖然我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｕf(shuō)眼見為實(shí),其實(shí)有的時(shí)候“眼不見也為實(shí)”,比如這里的特例,在地面上的人看來(lái),兩個(gè)孩子并非同時(shí)出生,但在空間站的宇航員看來(lái),兩個(gè)孩子卻是同時(shí)出生的.因此對(duì)我們來(lái)說(shuō)沒有發(fā)生的事情,對(duì)宇航員卻是實(shí)實(shí)在在的,這是因?yàn)槲覀兊膮⒖枷挡煌?所站角度不同.這里進(jìn)行總結(jié):同時(shí)性具有相對(duì)意義,沿兩個(gè)慣性系的運(yùn)動(dòng)方向,不同地點(diǎn)發(fā)生的兩件事,在其中一個(gè)慣性系中是同時(shí)的,在另一慣性系中觀察則不同時(shí);只有同時(shí)同地發(fā)生的兩件事,在其他慣性系中觀察才是同時(shí)的.此處自然而然地融入思政元素:看待人生和世界也應(yīng)該采用辯證的觀點(diǎn),鼓勵(lì)學(xué)生超越自身的局限,提高自己的思想深度、眼界寬度、境界高度和胸懷廣度,多角度地、用辯證的思維審視一個(gè)問題,將會(huì)得到不同的結(jié)果[3].經(jīng)過(guò)這樣的一個(gè)講解過(guò)程,將物理理論和生活實(shí)例相聯(lián)系,可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,寓教于樂,使得晦澀的理論變得容易理解和接受,而且潛移默化地對(duì)學(xué)生進(jìn)行了世界觀和人生觀的教育,同時(shí)也與引課環(huán)節(jié)提出的第一個(gè)問題相呼應(yīng).

和

時(shí)間間隔為

我們把同一地點(diǎn)發(fā)生的兩事件的時(shí)間間隔稱為固有時(shí)間τ0,所以車廂S′系中測(cè)得的B點(diǎn)發(fā)射和接收光信號(hào)的時(shí)間間隔為固有時(shí)間.地面相對(duì)于車廂做勻速直線運(yùn)動(dòng),在地面上測(cè)得的時(shí)間為運(yùn)動(dòng)時(shí)間τ,顯然τ>τ0,即運(yùn)動(dòng)時(shí)間大于固有時(shí)間,這種現(xiàn)象稱為時(shí)間膨脹效應(yīng),也稱為“動(dòng)鐘變慢”.由此可見,時(shí)間的流逝不是絕對(duì)的,運(yùn)動(dòng)將改變時(shí)間的進(jìn)程,生命在于運(yùn)動(dòng),激勵(lì)學(xué)生擁有積極主動(dòng)的人生態(tài)度,只爭(zhēng)朝夕,不負(fù)韶華.

利用上述的“時(shí)間膨脹效應(yīng)”可以解釋引課環(huán)節(jié)提出的第二個(gè)問題——“孿生子佯謬”.哥哥摩托車的速度接近于光速,他在太空旅行的10分鐘,是固有時(shí)間,弟弟測(cè)得的時(shí)間為運(yùn)動(dòng)時(shí)間,計(jì)算可得,弟弟測(cè)量的時(shí)間為3千多萬(wàn)分鐘,約為60年.所以哥哥歸來(lái)時(shí)依舊是少年,弟弟則進(jìn)入暮年.這種處理方法解釋了之前的預(yù)留問題,前后呼應(yīng),趣味性強(qiáng),吸引學(xué)生注意力,讓學(xué)生為最后所得結(jié)論唏噓不已,加深了對(duì)知識(shí)的理解.

3 結(jié)論

本文立足狹義相對(duì)論的傳承脈絡(luò)和愛因斯坦的思想架構(gòu),對(duì)“狹義相對(duì)論的時(shí)間觀”這一知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行案例分析,從“同時(shí)”的相對(duì)性和“時(shí)間膨脹效應(yīng)”這個(gè)方面,加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)時(shí)間概念的認(rèn)識(shí).在進(jìn)行知識(shí)傳授的過(guò)程中,培養(yǎng)學(xué)生追求真理、勇于創(chuàng)新的科學(xué)發(fā)展觀念,教給學(xué)生辯證唯物主義哲學(xué)觀,鼓勵(lì)學(xué)生站在一個(gè)更高的維度去觀察世界和人生的意識(shí),從而使學(xué)生樹立正確的人生觀、世界觀,增強(qiáng)學(xué)生思維的廣闊性、深刻性和敏銳性,并深入挖掘中華傳統(tǒng)文化元素,借助“河圖洛書”中樸素的時(shí)空觀,引導(dǎo)學(xué)生了解我國(guó)的古典文化,有助于樹立學(xué)生的文化自信.依照本文的方法,將哲學(xué)思想和生活實(shí)例同物理理論相結(jié)合,一方面有助于學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的掌握,還能提升學(xué)生的思想認(rèn)知,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,實(shí)現(xiàn)將物理走向生活的目的.