狭义相对论中双生子佯谬等疑难问题的形象化教学探析

期刊: 《教研导刊》 DOI:10.64649/yh.jydk.issn3080-2660.202611016 全文阅读 返回期刊

作者:龙观德;郑晓军*

单位:桂林理工大学物理与电子信息工程学院

摘要:

钟慢效应、尺缩效应与双生子佯谬是狭义相对论教学中的核心难点,也是学生认知冲突最集中的环节。抽象的数学推导常使学生“会套公式而不懂物理”。本文基于作者多年来的物理学习经历与教学实践,提出以思想实验、几何直观(闵可夫斯基时空)与仿真模拟相结合的形象化教学路径,将“难而抽象”的相对论效应转化为可感知、可推理的认知对象,并结合光钟、世界线与多普勒效应等教学实例说明具体实施方法,以期为相对论教学提供参考。

关键词:

狭义相对论;钟慢效应;尺缩效应;双生子佯谬;闵可夫斯基时空;形象化教学

参考文献:

[1] 刘辽, 赵峥. 狭义相对论(第二版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2008.

[2] 梁灿彬, 周彬. 微分几何入门与广义相对论(第二版)[M]. 北京: 科学出版社, 2006.

[3] 赵凯华, 罗蔚茵. 新概念物理教程·力学[M]. 北京: 高等教育出版社, 1995.

[4] 赵凯华, 罗蔚茵. 新概念物理教程·量子物理(第二版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2001.

[5] 张三慧. 大学物理(相对论与量子物理)[M]. 北京: 清华大学出版社, 2008.

[6] 爱因斯坦 A. 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.

[7] TAYLOR E F, WHEELER J A. Spacetime Physics(时空物理)[M]. 2nd ed. 影印版. 北京: 世界图书出版公司, 2005.

[8] CORMIER S, STEINBERG R. The Twin Twin Paradox: Exploring Student Approaches to Understanding Relativistic Concepts[J]. The Physics Teacher, 2010, 48(9): 598-601.

[9] BORYS P. Full discussion of the twin paradox by Lorentz transformations[J]. European Journal of Physics, 2025, 46: 065601.

[10] GAMBOA J, MENDEZ F, PARANJAPE M B, et al. The "twin paradox": the role of acceleration[J]. Canadian Journal of Physics, 2019, 97(10): 1049-1063.

[11] SCHERR R E, SHAFFER P S, VOKOS S. Student understanding of time in special relativity: simultaneous event occurrence[J]. American Journal of Physics, 2001, 69(S1): S24-S35.

[12] 国家高等教育智慧教育平台. 大学物理-相对论和量子物理(山东大学 刘建强)[EB/OL]. https://www.chinaooc.com.cn/course/69811b8f95df98bb27c3c04c.

[13] 中国科学院. 漫谈现代物理学时空观的症结与展望[EB/OL]. 科学智慧火花. https://idea.cas.cn/zhhh/sxwlhxytw/wlx/info/2011/479733.html.