潘小慧
10.3969/j.issn.1671-489X.2016.19.144
摘 要 將引力波的相關(guān)知識,用實驗演示的方式引入課堂,讓學(xué)生通過觀察分析,了解和理解引力波的觀點,并對廣義相對論有更多的了解,對當下科學(xué)前沿有更直接的認識。
關(guān)鍵詞 引力波;時空彎曲;萬有引力;物理;實驗
中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:B
文章編號:1671-489X(2016)19-0144-02
1 前言
近些年來,電影界不斷推出與太空航天相關(guān)的電影,如2014年上映的《地心引力》,電影里的特效讓觀影人真切地感受到宇宙獨特的環(huán)境、可能遇到的危險和面對未知的孤獨與無助。將抽象的太空還原到人們眼前,使得觀影者對太空有了更深刻的感知。2015年上映的《星際穿越》中,大膽地在“蟲洞”的理論上加以想象,展現(xiàn)前沿物理將有可能給地球和人類帶來的改變,其中狹義相對論和超立方體等理論的形象展現(xiàn),也讓人驚嘆宇宙的神奇。
這些關(guān)于宇宙的電影,極大地豐富了人們對于宇宙的感知,也增長了對前沿物理的了解和認識。尤其是對于中小學(xué)生,他們有著強烈的知識渴求和欲望,通過看這類電影,不但能滿足好奇心,大開眼界,而且能通過查閱資料和聽講座,對相關(guān)知識形成科學(xué)的認識??梢灶A(yù)測,這樣的電影會越來越多地走進人們的生活,學(xué)生也會越來越發(fā)現(xiàn)天體物理的神奇。在這種環(huán)境下,學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)的萬有引力知識時,就會不滿足于書本知識,而會對自己在電影和資料中學(xué)到的東西進行提問。
引力波是時下非常熱門的話題。2016年2月11日,美國科研人員利用激光干涉探測到了引力波的存在,證實了愛因斯坦廣義相對論的一個預(yù)測。這引發(fā)了世界的轟動,也激起學(xué)生心中的漣漪。不妨嘗試將廣義相對論與萬有引力的知識進行適當結(jié)合,引入高中物理實驗教學(xué)。
2 實驗設(shè)計方案
人教版物理必修2第六章內(nèi)容為“萬有引力與航天”,其中的幾個知識點可以與引力波聯(lián)系。教師可以在學(xué)生學(xué)習(xí)完萬有引力性質(zhì)即大小之后,大膽引入引力波知識。下面進行具體的說明。
首先,給出愛因斯坦廣義相對論中對引力的解釋:引力是時空彎曲的一種效應(yīng)。教師可以用實驗演示的方法幫助學(xué)生理解。找一個圓環(huán)形的支架,上面鋪一塊軟布,象征未扭曲的時空;此時,在軟布上放一個小球,就會在球周圍形成塌陷,代表扭曲的時空,如圖1所示。顯然,質(zhì)量越大,扭曲程度越大。
此時,若有一個物體從它旁邊經(jīng)過,則不能直線通過,而是圍著它做圓周運動,或螺旋運動后最終撞上中間的球,如圖2所示。對于這一現(xiàn)象,牛頓解釋為兩個球之間有萬有引力,所以中心的球會將運動的小球吸引過來。然而兩者對比后,可以說萬有引力更像是一種從效果上的解釋,而事實上是并不存在。
這樣形象的演示可以打破學(xué)生一直以來的固有思維,使學(xué)生腦洞大開,繼而激發(fā)其主觀能動性。讓學(xué)生設(shè)計如何從萬有引力的大小出發(fā),進一步驗證廣義相對論中引力理論。具體來說,設(shè)計如下。
由萬有引力公式可知,兩球心間距離r一定時,質(zhì)量越大,物體間的引力越大。那么,讓學(xué)生討論后可得到3個對比實驗。
1)準備兩塊相同的支架和布,將兩個質(zhì)量相差很多的球(稱為球1)分別放在兩塊布的中間,再選擇另外兩個完全相同的球(稱為球2),給它們初速度,讓其從球1旁經(jīng)過,保證兩球心間距離r相等,初速度盡量相同。觀察球2運動軌跡的彎曲情況,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過質(zhì)量大的那個球1時,軌跡彎曲更明顯,驗證F∝m1。
2)將每組裝置中兩球互換位置,即球2放在中間,讓球1從球2的旁邊經(jīng)過,其他條件不變。觀察運動軌跡的彎曲情況,發(fā)現(xiàn)質(zhì)量大的那個球1運動的軌跡彎曲程度大,驗證F∝m2。
3)改變兩組實驗中的r,觀察運動軌跡的變化。發(fā)現(xiàn)兩球質(zhì)量不變時,r越小,軌跡彎曲越不明顯,驗證r越大,F(xiàn)越小。
最后,給出引力波的介紹:在引力的基礎(chǔ)上,愛因斯坦預(yù)言了引力波的存在,即有質(zhì)量的物體加速運動時,它周圍的時空扭曲會以波動的形式傳播出去,就好比水面上不停振蕩的物體,會在周圍形成水波,并向遠處傳播一樣。這樣就完成了引力波與萬有引力簡單結(jié)合的一個過程。
3 實驗意義
實驗由學(xué)生分組完成,并給出實驗結(jié)論。這樣一來,學(xué)生邊動手邊動腦,親眼“看到了”愛因斯坦的引力理論,而不是抽象地理解高深的知識,對他們來說是難得的與前沿科學(xué)邂逅的機會。當然,還需強調(diào)這并不是完成了真正的探究過程,想要驗證廣義相對論的正確性,還要運用數(shù)學(xué)工具,經(jīng)多次計算,將理論數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果進行對比,得出定量描述引力特征的數(shù)學(xué)表達式,即萬有引力公式。
經(jīng)過這一過程,學(xué)生也會對公式形成新的認識:公式不再是他們僅僅為了算題和得分的武器,而是自然規(guī)律的數(shù)學(xué)表達,是定量表述真理的手段。由此幫助學(xué)生形成更加科學(xué)和成熟的知識觀,便于學(xué)生大學(xué)后的繼續(xù)發(fā)展。
4 結(jié)語
本著新課改的理念,筆者認為,這樣的科學(xué)探究實驗課,除了對學(xué)生大有裨益外,也打破了之前萬有引力這一章沒有或少有實驗可做的實際情況,將遙遠又“難搞”的天體宇宙拉到學(xué)生身邊,使他們對萬有引力的認識不再是懵懂地只能死記硬背。同時解放了學(xué)生,讓他們敢于用實踐檢驗科學(xué)。相信如果多做這樣的嘗試,讓物理課堂更多地聯(lián)系實事,與時俱進,學(xué)生會更加熱愛物理,學(xué)到更多的知識,最重要的是知道怎么去學(xué)習(xí),怎么去認識世界!■