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高中物理“狭义相对论”内容比较分析及教学建议

范文

张琪梁军

摘 ? 要：“狭义相对论”是近代物理学的基石，中学阶段开展“狭义相对论”教学，对于培养学生的物理学科核心素养具有极其重要的作用。教材是学生学习及教师教学的主要资源，文章选取中、美、英、德四国高中物理教材“狭义相对论”部分的知识点进行分析对比，并进行了一定程度上的内容重构，提出教学建议，以期为高中物理“狭义相对论”教学提供参考。

关键词：高中物理;教材比较;狭义相对论;内容重构

中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ?文章编号：1003-6148（2020）1-0019-4

“狭义相对论”是20世纪最伟大的成就之一，已被广泛地应用于物理学的各个领域。高中物理进行“相对论”教学可以改变学生的时空观、物质观和运动观，提高学生的科学素养，培养学生的创新精神和科学探究能力。所以，高中进行“狭义相对论”教学具有极其重要的意义。

1 ? ?问题的提出

早在1985年，查有梁先生就提出：“对于相对论的基本原理，只要在方法上有所突破，正如牛顿力学一样，也可能较系统地教给学生”。然而，自1996年颁布的《全日制普通高级中学物理教学大纲（供试验用）》将“狭义相对论”部分的知识点作为选学内容引入高中物理课程以来，已有二十余年的历史，“狭义相对论”知识在高中物理的教学并没有取得很好的成效。

新颁布的《普通高中物理课程标准（2017年版）》[2]（下文中简称2017版《课程标准》）在必修2和选修3两部分对“狭义相对论”的教学提出了要求。

必修2的要求：①知道牛顿力学的局限性，体会人类对自然界的探索是不断深入的;②初步了解相对论时空观（初步了解长度收缩效应和时间延缓效应）。

选修3的要求：①知道相对性原理和光速不变原理;②能利用公式解释长度收缩效应和时间延缓效应;③知道爱因斯坦质能方程的意义。

我国现行有六个版本的高中物理教科书，分别由人民教育出版社（2010年）、人民教育出版社（2019年）、山东科学技术出版社、上海科学教育出版社、广东教育出版社、教育科学出版社出版，下文中分别简称人教版（旧版）[3]、人教版（新版）[4]、鲁科版[5]、沪科版[6]、粤教版[7-8]、教科版[9]。人教版（新版）是根据2017版《课程标准》编订的基于物理学科核心素养的系列高中物理教科书，其中必修2中涉及到了“狭义相对论”的知识。人教版（新版）必修2只对相对论进行了初步介绍，简单描述了狭义相对论的时空观，采用定性分析后直接给出公式的方式介绍了长度收缩效应和时间延缓效应。这是适合于绝大部分学生的教学内容，但是对于一部分高中生来说（如对狭义相对论感兴趣的学生、有能力参加高校自主招生或物理竞赛的学生等），这些是远远不够的。2017版《课程标准》在选修3模块中对“狭义相对论”提出了更高层次的要求，但是选修3模块是由学校自主考核，目前出版的人教版（新版）系列教科书并不包括选修3部分。国内其他版本的高中物理教科书都是依据2003版《普通高中物理课程标准（实验）》编订的，且“狭义相对论”部分知识点的选取存在着较大的差异。所以，本文分析了国内外具有代表性的高中物理教材，对“狭义相对论”进行内容重构并提出教学建议，为更系统、深入地进行高中物理“狭义相对论”教学提供可供参考的文本。

2 ? ?中外高中物理教材“狭义相对论”知识点分析对比

本文选取了中、美、英、德四国的高中物理教材，对其“狭义相对论”内容进行分析对比。教材选取情况如下：中国现行六个版本的高中物理教科书（必修2和选修3涉及“狭义相对论”部分）、由美国物理教科书改编的《Physics Principle with Applications》[10]（国际版，下文简称AP教材）、英國物理教科书《New Understanding Physics for Advanced Level》[11]（下文简称A Level 教材）以及由上海教育出版社出版的根据德国卡尔斯鲁厄物理教科书翻译改编的《KPK物理高中精编版》[12]（下文简称KPK教材）。《Physics Principle with Applications》（国际版）是根据美国高中物理教科书《Physics Principle with Applications》改编的适用于美国AP课程及AP考试的国际版教材，此教材定位与本文想要探求的更深入、系统的“狭义相对论”教学相吻合。英国和德国都是教育体制发达的国家，两国很早就进行了一系列的教育改革，研究这两个国家的教材，也有利于吸收先进的教育理念进行高中物理“狭义相对论”教学。

2.1 ? ?知识点选取情况

“狭义相对论”内容多且复杂，高中物理教学应该挑哪些知识教给学生，以怎样的形式教给学生，这些都是需要探讨的。笔者研究了本文所选高中物理教材“狭义相对论”的相关知识点，将涉及到的主要知识点归纳如下：伽利略相对性原理、迈克尔逊-莫雷实验、狭义相对论两条基本原理、洛伦兹变换、同时的相对性、时间间隔的相对性、长度的相对性、狭义相对论速度变换公式、绝对时空观、相对论时空观、相对论动量、相对论质量、质能方程。

表1是中外高中物理教材“狭义相对论”部分的知识点选取情况，总共有13个。

2.2 ? ?知识点分析

由表1可知，本文所选教材没有一本包含所列举的全部13个知识点。其中，沪科版包含的知识点最多，为12个;人教版（旧版）、粤教版包含11个知识点;教科版、美国AP教材包含10个知识点;鲁科版包含9个知识点;人教版（新版）包含7个知识点;A Level教材包含6个知识点;KPK教材包含4个知识点。狭义相对论两条基本原理、时间间隔的相对性、长度的相对性是全部教材都包含的知识点，这也是“狭义相对论”的核心内容;大部分知识点都在一半以上的教材中出现;但是某些知识点，如洛伦兹变换、相对论动量，只在某一本教材中出现。

基于2017版《课程标准》，出于为高中物理“狭义相对论”教学提供更系统、深入的参考文本的目的，笔者将对全部13个知识点进行分析，进行高中物理“狭义相对论”内容重构。

2.2.1 ? ?伽利略相对性原理

伽利略相对性原理在本文所选的教材中有6版都有所涉及。伽利略相对性原理是对经典力学规律的概括与延伸，并且是引出经典力学与“麦克斯韦电磁理论”光速不变矛盾的基础，有利于学生理解狭义相对论的由来，应该将其包含在高中物理“狭义相对论”教学内容中。

2.2.2 ? ?迈克尔逊-莫雷实验

迈克尔逊-莫雷实验有力地支持了光速不变原理，且有利于让学生认识到科学假设应基于实验事实基础之上，应将其包含在高中物理“狭义相对论”教学内容中。

2.2.3 ? ?狭义相对论两条基本原理

狭义相对论两条基本原理——狭义相对性原理和光速不变原理是“狭义相对论”的基石，毋庸置疑，每本介绍“狭义相对论”的教材都会涉及到此知识，必须包含在“狭义相对论”教学内容中。

2.2.4 ? ?洛伦兹变换

洛伦兹变换是“狭义相对论”中最基本的关系式，“狭义相对论”中的许多运动学结论和时空性质都可以由洛伦兹变换推导得出，洛伦兹变换对于系统地理解“狭义相对论”具有重要的作用。但是，在本文选取的这9版教材中，却只有沪科版涉及到了此知识，且只给出了公式，并没有用此公式推导相关结论。虽然由狭义相对论两条基本原理推导洛伦兹公式的过程不在高中所学范围之内，但是洛伦兹变换关系式的数学形式比较简单，且由洛伦兹变换推导出同时的相对性、动钟变慢、动尺收缩等结论时涉及到的推导过程以及在此过程中运用到的数学知识也并不复杂，没有涉及到超纲的知识，是完全可以被高中生理解和接受的。所以，建议将洛伦兹变换知识点加入高中物理“狭义相对论”教学，采取定性分析、直接给出洛伦兹变换公式、由洛伦兹变换公式推导相关结论的教学形式，这也为实现2017版《课程标准》选修3中的要求“②能利用公式，解释长度收缩效应和时间延缓效应”奠定了基础。

2.2.5 ? ?同时的相对性

同时的相对性是狭义相对论的基本结论之一。虽然本文所选取的教材中有两版不包含此知识点，但笔者认为此结论是重要的，而且有利于学生循序渐进地理解时间延缓效应，应该包含在“狭义相对论”教学内容中。

2.2.6 ? ?时间间隔的相对性、长度的相对性

时间间隔的相对性、长度的相对性是“狭义相对论”最重要的结论，本文所选取的教材也全部都包含这两个知识点。所以，这两个知识点也是“狭义相对论”教学必须包含的。本文所选大部分教材用定性分析后直接给出结论的形式呈现相关知识点，基于让学生更深刻地理解此结论，更深入、系统地了解“狭义相对论”的目的，建议采用定性分析加定量分析的形式呈现并进行相关教学。

2.2.7 ? ?绝对时空观、狭义相对论时空观

绝对时空观和狭义相对论时空观不算是具体的“狭义相对论”的知识点，所以国外的教材并不包含这两个知识点。但是，国内高中物理教学强调物理观念的形成，尤其是2017版《课程标准》颁布后，更是将物理观念列为学生的物理学科核心素养之一，因此建议将这两个知识点作为总结性结论呈现在“狭义相对论”教学内容中。

2.2.8 ? ?狭义相对论速度变换公式

狭义相对论速度变换公式也是狭义相对论的重要结论之一，本文所选的9版教材中，有7版都涉及到了此公式。根据此公式可以推导出光速不变、光速最大等结论，表明狭义相对论的逻辑自洽性，因此，建议将此知识点包含在“狭义相对论”教学内容中。

2.2.9 ? ?相对论动量、相对论质量

相对论质量、相对论动量的推导比较复杂，本文所选教材都是直接给出相关结论，且相对论动量只在AP教材中提到。相对论质量、动量、能量相互联系，为了让学生更全面地理解“狭义相对论”，建议将相对论质量、相对论动量包含在“狭义相对论”教学内容中。

2.2.10 ? ?质能方程

质能方程是“狭义相对论”的一个非常重要的公式，是对近代物理和科技产生巨大影响的一个著名公式。本文所选教材大部分都涉及到了此公式，此知识点应该包含在“狭义相对论”教学内容中。

3 ? ?高中物理“狭义相对论”部分内容重构建议

基于以上对中外高中物理教材“狭义相对论”知识点的对比和分析，为实现更深入、系统地进行高中物理“狭义相对论”教学的目的，笔者在人教版（旧版）选修3-4第十五章“相对论简介”的基础上，对其“狭义相对论”部分内容进行了内容重构。

“狭义相对论”内容可分为三节：

第一节“相对论的诞生”，包含知识点：伽利略相对性原理、迈克尔逊-莫雷实验、狭义相对论两条基本原理;

第二节“狭义相对论时空观”，包含知识点：洛伦兹变换、同时的相对性、时间间隔的相对性、长度的相对性、绝对时空观、狭义相对论时空观;

第三节“狭义相对论的其他结论”，包含知识点：速度变换公式、质量公式、动量公式、质能方程等。其结构如图1所示。

4 ? ?结 ?语

“狭义相对论”是现代物理学的两大支柱之一，高中物理进行“狭义相对论”教学具有重大的意义。然而，由于“狭义相对论”知识脱离学生的传统经验，又与经典力学知识相矛盾，所以大部分教师并不知道如何有效地进行相关教学，尤其是不知道如何深入、系统地给学生讲解“狭义相对论”的相关知识。本文基于此进行了相关的内容重构，希望可以为高中物理“狭义相对论”教学提供可供参考的文本。对待“狭义相对论”的教学，高中教师更应该不畏困难，理解其精髓，这样才能将相对论知识更好地教给學生，让学生了解“狭义相对论”。

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