关于_狭义相对论_建立的历史背景的教学

　第25卷第3期　　　　　　　　　　　　阜阳师范学院学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　Vol.25,No.3　2008年9月　　　　　　　　　JournalofFuyangTeachersCollege(NaturalScience)　　　　　　　　　　Sep.2008

关于“狭义相对论”建立的历史背景的教学

于立志

(阜阳师范学院物理与电子科学学院,安徽阜阳　236041)

摘　要:从迈克尔逊—莫雷实验结果的解释——牵引假说、洛伦兹电子理论,彭加勒的狭义相对论思想以及爱因斯坦的狭义相对论思想三个方面,阐述了狭义相对论建立的历史背景,以及在此过程中物理学家所做出的重要贡献,再现了历史上物理学家探索狭义相对论的艰辛历程,以此来激发学生的学习兴趣,培养学生的探索和创新能力.关键词:物理学史;爱因斯坦;狭义相对论

中图分类号:O414　　　文献标识码:A　　　文章编号:1004-4329(2008)03-0079-03

0　引言

　　关于“狭义相对论”的讲述,在一般的物理教材中,如著作等,都是非常简单地介绍了“狭义相

对论”的产生背景:从爱因斯坦(AlbertEinstein,1879-1955)的两个狭义相对论基本原理讲到洛伦兹(HendrikAntoonLorentz,1853-1928)变换和相对论时空观.对于学生来说,他们可能认为爱因斯坦天才地提出了两个假设,然后顺理成章地推导出了洛伦兹变换公式和相对论时空观下的运动时钟延缓、运动尺度收缩等一系列观点和公式.而我们知道爱因斯坦的两个原理是建立在当时很多物理学家的漫长而艰辛的探索基础之上的,在此很多物理学家做出了重要的贡献,如迈克尔逊(AlbertAbrabanMichelson,1852-1931)、斐兹杰惹(Fitzgerald,1851-1901)、洛伦兹和彭加勒(Poincar JulesHenri,1854～1912)等.在教学过中,我们应该向学生介绍一下当时的历史背景和科学家们的探索过程及其贡献,以此来激发学生的学习兴趣,培养学生的探索和创新能力.

[1,2,3]

论的产生背景,我们必须追溯一个很老的物理概念——“以太”.

17世纪,法国物理学家笛卡儿(Ren Descartes,1596-1660)为了解释物体之间的作用力,特别是万有引力现象,最先赋予了以太某种力学性质.在当时的物理学家看来,空间被以太这种连续的媒质所充满,包括真空和对于光是透明的各种物质,物体之间的所有作用力都是通过以太的应变和运动来传递的,以太也成了光的载体和电磁波的载体.在麦克斯韦(JamesClerkMaxwell,1831-1879)的电磁学方程中出现了一个常数c,它表明电磁波在真空中总是以不变的速度c向各个方向传播,是各向同性的.但是按照经典的速度合成法则,相对于以太静止和相对于以太运动的两种参考系,电磁波沿不同方向的速度就会出现明显的差异.在当时的物理学界,以太的存在已成为“客观现实”,那么探索以太的存在状态和以太相对地球的运动速度自然成为当时物理学研究的焦点问题.其中最著名的实验是迈克尔逊—莫雷实验[1].

迈克尔逊—莫雷实验的结果却使当时的每一个人都感到震惊,因为在实验误差允许的范围内竟然完全没有发现干涉条纹的移动!这个实验后来由不同的人在不同的季节和不同的地点多次重复过,结果总是一样的:没有检测到“以太风”的存在.

1　狭义相对论建立的历史背景

“狭义相对论”的建立不是一簇而就的,而是无数物理学家漫长而艰辛的探索结果.谈到狭义相对

收稿日期:2008-06-03

项目基金:阜阳师范学院自然科学研究青年项目(2008LQ05,NO.2008LQ04);

安徽省高校青年教师资助计划项目(2008jq1118).

)男,理学硕士.:

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　　当时的物理学家都深信以太的存在,除了迈克尔逊—莫雷实验之外,人们还设计了很多巧妙的实验来检测“以太风”,但是,实验事实却铁一般的摆在他们面前:无论多么巧妙的实验,都像它们的突出代表——迈克尔逊—莫雷实验那样,得到了“负”结果.

此时以太假说陷入了困境,为了解释迈克尔逊—莫雷实验的“负”结果,各式各样的假说随之而来.

1.1　牵引假说

此假说认为由于某种原因,地球周围的以太被地球所牵引,跟地球一起运动.这样一来,在地面附近所做的各种实验就不存在相对以太运动的问题,测量不到地球相对于以太的运动就是理所当然的问题了.

1.2　完全带动说

以赫兹(HertzHeinrichRudolf,1857～1894)为代表的“牵引假说”的一种意见,认为当物体运动时充满其中的以太完全被带动.由于地面上的空气跟着地球一起运动,而空气中的以太又为空气所带动,因而地球表面的以太也跟着地球一起运动.1.3　附面层牵引说

“牵引假说”的另一种解释是地球周围粘着一层以太,地球带着这层以太一起运动.那么,在地球表面所做的实验,当然测量不出相对于以太的运动了.

上面三个“牵引假说”看似可以解释解释迈克尔逊—莫雷实验的“负”结果,但很快被很多实验所否定,如菲索实验、洛奇实验、光行差现象[4]等.尽管如此,上面三个“牵引假说”还是有一定积极意义的,它们给斐兹杰惹、洛伦兹的工作提供了新的思路.1.4　斐兹杰惹的解释

斐兹杰惹提出了另外一个用来解释迈克尔逊—莫雷实验的假说.他假定物体在相对于以太运动时沿着方向收缩,收缩率为

=D0

1-c

2

[4,5]

韦方程组(假定它在相对于以太精制的参考系中成立)可以计算出电荷周围的电场.当粒子在以太中静止时,它的电势在各个方向上是对称的,即等势面是一个球面.当粒子以速度相对于以太运动时,计算结果发现力场不再是球对称的,等势面变为一个旋转椭球,垂直运动方向上的直径不变,而在运动方向上却以比率

1-(u/c)缩短.这显然是电荷在以太

中运动的效应.

1.5.2　长度收缩

由于固体中总的力场等于构成它的所有粒子的力场之和,因此整个力场应该在运动方向上收缩,而在垂直方向上不变.因而整个固体在运动方向上以比率

1-(u/c)缩短,即

=l0

1-c

2

,

其中l为物体以速度u相对于以太运动时沿运动方向的长度,l0为物体相对于以太静止时的长度.1.5.3　质量变大

洛伦兹进一步计算表明运动物体的质量随着运动速度的增大而增大,即

m=

01-c

2

,

其中m0为粒子相对于以太静止时的质量.1.5.4　时钟变慢

通过冗长的讨论和复杂的计算,洛伦兹得出以相对速度u在以太中运动的时钟的振动周期为

T=,

21-c

其中T0为钟相对于以太静止时的周期.可见运动的时钟变慢了.

洛伦兹的理论能够比较圆满地解释有关的实验结果,并且从今天看来,它实际上已经得到了一些正确的公式,但它存在着根本性的缺陷.第一,洛伦兹理论的出发点是:在电磁现象中存在一个绝对静止的以太参考系;第二,洛伦兹理论中存在着“绝对时间”和“绝对长度”,它体现在对以太静止的钟和物体长度的测量结果中.富有辨证意味的是,理论的缺陷却又恰恰包藏着正确理论的萌芽!

1.6　彭加勒的狭义相对论思想

彭加勒极为热情地接受了洛伦兹的理论,他从数学上给洛伦兹理论以更为简洁的形式.他把洛伦兹的坐标与时间变换式命名为洛伦兹变换.彭加勒[6]

,

其中D为物体以速度u相对于以太运动时沿运动方向的长度,D0为物体相对于以太静止时的长度,c为光速.这样,迈克尔逊—莫雷实验的结果,就似乎可以容纳在以太假说的框框之内了.1.5　洛伦兹的电子理论

洛伦兹也采用了斐兹杰惹的收缩概念,并且从电子理论来说明这个收缩.1.5.1　洛伦兹假说

19世纪已经知道物体是由原子组成的,原子又.

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关系,他甚至(虽然是隐含着)使用了四维表达式.

彭加勒在1898年还第一个讨论了假设光速对所有观察考都是常数的必要性.在这一年发表的“时间之测量”一文中,彭加勒指出:光具有不变的速度,特别是光速在所有方向上都相同“是-种公设,没有这一公设,就无法测量光速”.他还指出:“绝对空间是没有的,我们所理解的不过是相对运动而已”,“绝对时间是没有的,所谓两个历时相等,只是一种本身毫无意义的断语.”“不但我们没有两个相等的时间的直觉,并且我们对于两地所发生的两事件的同时性也没有直觉.”在同-篇文章中,彭加勒还讨论了用交换光信号确定两地同时性的问题.几乎没有什么疑问,到1900年,彭加勒手头已经具备了建造相对论的所有必需的材料.相对性原理这个术语是彭加勒1904年9月在圣路易斯国际技术和科学会议的讲演中首次使用的.由于这一原理,“物理现象的定律对‘一个固定的观察者’与对于一个相对于他做匀速运动的观察者必定是相同的.这样一来,我们没有,也不可能有任何识别我们是否做这一运动的手段.”可以说彭加勒是相对论建立之前离相对论的大门最近的物理学家、数学家和哲学家,他已经走到新理论的边缘.

至此,物理学的发展已经为相对论的诞生准备了充分的条件.特别是洛伦兹从理论上已经得出了长度收缩、时钟变慢等正确公式和彭加勒的狭义相对论思想.

1.7　狭义相对论的建立

在这个基础上,沿着正确的道路迈出决定性一步的是爱因斯坦.他摆脱了旧的机械论和机械的时空观的影响,勇敢地批判并继承和发展了洛伦兹、彭加勒等人的成果,从而“水到渠成”地建立了狭义相对论.

爱因斯坦不像洛伦兹那样,孜孜不倦地解决迈克耳逊实验和其他实验所提出的疑难,千方百计地弥合各种实验与经典理论的裂痕.爱因斯坦关心的是力学和电动力学形式上的不一致.在向他的既定目标前进中,他既继承了前人的思想精华,也摒弃了一些陈旧的传统观念.爱因斯坦的理论否定了以太概念,肯定了电磁场是一种独立的、物质存在的特殊

形式,并对空间、时间的概念进行了深刻地分析,从

而建立了新的时空关系.他1905年的论文被世界公认为第一篇关于相对论的论文,他则是第一位真正的相对论物理学家.相对论的诞生也向我们证明了“这样一个人物的天才和独创性,他能够一眼看穿那疑难重重、错综复杂的迷宫,领悟到新的、简单的想法,使得他能够吐露出那些问题的真实意义,并且给那黑暗笼罩的领域突然带来清澈和光明.”

2　狭义相对论建立背景对教学的启示

可以说爱因斯坦的成功建立在当时很多物理学家的漫长而艰辛的探索基础之上的,在此有很多物理学家做出了艰苦而卓越的贡献.在教学过中,我们应该向学生介绍一下当时的历史背景和物理学家们的探索过程,以此来激发学生的学习兴趣,培养学生的探索能力和创新能力.普通物理教学大纲指出“物理教学旨在进一步提高学生的科学素养,从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个方面培养学生,培养学生科学的世界观,增强学生分析问题和解决问题的能力,培养学生的探索、创新精神,培养学生的科学思维能力”,“注重培养学生分析问题和解决问题的能力,努力实现知识、能力、素质的协调发展.”大学物理教学要让学生经历科学探究过程、了解物理学的研究方法、理解物理学的发展历史,从物理学发展的历程中领悟到科学事业的本质特性,体会物理学对经济和社会发展的贡献、深刻地理解物理学与人的存在之关系以及科学的发展对人的精神世界的影响,逐步形成科学态度和科学精神.而物理学史集中地体现了人类探索和逐步认识物理世界的现象、特性、规律和本质的历程,在教学中加强物理学史教育,展现历史上物理学家探索物理世界奥秘的艰辛历程,以其中的欢乐、困惑、惊奇和哲理去感染学生,把物理知识的逻辑展开与物理学认识的历史发展有机结合起来,将物理教学过程设计成是把“凝固的文化激活”的过程,把文化传播和学习转化成为历史上的创造者与今天的文化学习者之间的对话,让学生以物理学家认识世界的本来面目去认识世界,确立物理学的历史意识,在获得物理知识的同时,全面提高学生的科学素养.

参考文献

[1]　郭硕鸿.电动力学[M].2版.北京:高等教育出版社,1997:288.

[2]　程守洙,江之水.普通物理学(第1分册)[M].5版.北京:高等教育出版社,1998:229.[3]　倪致祥.大学物理学(上册)[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2005:123.

[4]

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AnExplorationintoTeachingReformofFundamental

CourseofComputeronBasisofConstructivism

LIFang

(NetworkCenterofFuyangTeachersCollege,FuyangAnhui236041,China)

Abstract:Withtheanalysisofthecurrentsituation,theteachingreformoftheFundamentalCourseofComputeris

exploredonthebasisofconstructivisminordertoimprovetheteachinglevelofthiscourse.Theadoptionoftheconstructivismlearningmodel,whichincludesthelearningfrommacro-cognitiontoautonomylearningindetailandtheonefrompracticalinstructiontotheoreticallearningingeneral,isexpectedtostimulatestudents'enthusiasmoflearning.Thefavorableeffecthasbeenachieved.

Keywords:constructivism;FundamentalCourseofComputer;teachingreform

(上接第81页)

[5]　李艳平,申先甲.物理学史教程[M].3版.北京:科学出版社,2005:227.

[6]　爱因斯坦.狭义与广义相对论浅说[M].杨润殷,译.北京:北京大学出版社,2006:25.

TeachingonHistoricalBackgroundfor

SpecialTheoryofRelativity

YULi-zhi

(SchoolofPhysicsandElectronicScienceofFuyangTeachersCollege,FuyangAnhui236041,China)

Abstract:Thisarticleexpatiatesuponhistoricalbackgroundaboutthespecialtheoryofrelativityfromthreeaspectsas

follows:theinterpretationofMichelson-Morleyexperiment-tractionhypothesisandLorenzelectronictheory,Poincar 'sandEinstein'sideasofthespecialtheoryofrelativity.Atthesametime,wealsoexpatiateuponphysicists'contributionintheestablishingprocessofthespecialtheoryofrelativity,reproducingthedifficultprocessofphysicists'exploringtothespecialtheoryofrelativity.Thisishelpfulforstimulatingstudents'interestinlearning,trainingstudents'abilityofexplorationandcreativity.

Keywords:historyofphysics;einstein;specialtheoryofrelativity