关于光的科学实验精选(九篇)

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第1篇：关于光的科学实验范文

一、隐性知识的定义

知识分为隐性知识和显性知识。隐性知识不易识别，难用数字、公式和科学法则等来表达，也很难用文字、语言来精确描述，不易模仿和复制。如经验、启示、策略、思维方法、思想情感等。小学科学教材中蕴含着大量的隐性知识，这部分知识在教材中并没有明确的文字表述。需要教师通过对教材中的隐性知识进行开发和扩展，或者让学生做出一定的技能和思维活动的展示才能挖掘。但在科学课教学目标中，又对这些知识有一定的体现和要求。因此，开发和运用小学科学教材中的隐性知识对科学课教学有着重要的作用。

二、小学科学教材中隐性知识的表现形式

小学科学教材内容丰富，其一般由文字、插图和实物和实景照片几部分构成。教材中的文字又一般包括目录、引言、正文、提示、资料库。除了教材中显性的科学概念、科学实验过程，科学教材中的隐性知识往往需要教师们从显性的文字、插图、照片中进行关联、提升，才能挖掘。这些隐性知识往往是培养学生科学思维方法、科学技能和素养的重要资源。笔者从教材中隐性知识存在的载体来分类，大致分为文字类隐性知识、插图类隐性知识和照片类隐性知识。从隐性知识的作用来分，又可以把教材中的隐性知识分为科学史的延伸、科学知识结构的拓宽、科学实验设计能力与技能的加强、科学责任感的培养意识等。下面以五年级上册第二单元《光》的内容为例具体谈谈如何开发运用隐性知识拓宽学生的知识结构，深化知识内容，培养学生良好的科学素养。

三、隐性知识的开发和运用

1.结合科学史，鼓励学生从感知中总结规律

《光》的目录来看，按顺序来看分别就是光和影、阳光下的影子、光是怎样传播的、光的反射、光与热、怎样得到更多的光和热、做个太阳能热水器、评价我们的太阳能热水器。《光》单元显性的目录文字，蕴含了科学史的发展，包含了人类认识事物的规律与历程。

人们对光的认识首先来源于观察和实践，在感性认识上得出一般规律。北宋沈括的《梦溪笔谈》就记录了通过“鸢东则影西，鸢西则影东”的影子观察来了解光的直线传播的原理。我国春秋战国时期的《墨经》中记载了光的直线传播和在镜中反射等现象。如《墨经》，经云“景，光之人，煦若射，下者之人也高；高者之人也下。足蔽下光，故成景于上；首蔽上光，故成景于下。在远近有端，与于光，故景库内也。”这是古代的关于光的故事，蕴含小孔成像的原理，这可以算作世界上最早对光的认识的记载。

因此，教材的编制中蕴含了大量科学史的内容，挖掘科学史，鼓励学生从感知中总结规律。

2.衔接关联内容，拓宽学生知识结构

《光》的第二课《阳光下的影子》一课最后，有这样一段话：坚持一段时间的观察，看看我们对阳光下物体影子的变化还有什么新的发现？这里的新发现所蕴含的隐性知识就是指的当地中午12点，可能并不是太阳位置最高的时候，因此影子也不是最短的时候。这就隐含了和后面“宇宙”“时间”单元的学习内容相互的关联。《光和热》一课，也涉及了高温物体将热能转化为光能，能量转化的问题，《做个太阳能热水器》也涉及了热传导的方式，也都和后面五年级下册“热”单元的学习内容相互的关联。

因此，开发教材中的隐性知识，衔接关联的知识内容，能拓宽学生的知识结构，深化学生对科学知识的认识。

3.重视“实验设计和操作”，提升学生的创新与探究能力

在《光是怎样传播的》一课中，教材中已经包括了两个探究实验来证明光是怎么传播的，这两个实验材料简单、操作容易。但在教材第29页，有这样的一句话：“我们还能用其他的方法证明光的传播路径吗？”这句话涵盖了用多种方法科学探究找到光的直线传播的规律，让学生掌握科学探究的基本环节的隐性知识。即“提出问题-猜想与假设-设计实验-进行实验-得出结论-交流与评估”的科学研究方法。教师如果在这里培养学生的创新能力，给学生提供大量器材，适当的时间，让他们自己设计实验，选择器材，经历实验过程，并在其中思考，交流，动手，探索，感悟，对学生的创新与探究能力的提升非常有帮助。针对这个问题，教师可以利用“丁达尔现象”给学生提供一些材料，学生可以自由选择材料设计简单的实验装置进行探究。

研究的问题 验证光的传播路径

假设

实验设计与记录 选用的材料：在下面的选项前面打√：

水槽肥皂水牛奶

果冻清水激光笔 结论：

实验方法：（简要图文说明）

4.从科学延伸到社会，培养学生科学素养

第2篇：关于光的科学实验范文

关键词: 信息技术科学教学细节处理

在新的教育理念的指导下,以计算机为基础的信息技术不断地深入教育教学的各个领域,信息技术手段已成为一种强有力的、不可或缺的教学工具。越来越多的教学实践证明,信息技术与科学教学有效整合下的课堂教学具有形象直观、有趣生动等特点,能充分调动学生的学习积极性,使之产生浓厚的学习兴趣,在愉悦的情景中建构知识,培养能力。但信息技术与科学学科教学的“融合”中也日益暴露了的一些“矛盾”。为营造理想的教学环境,关注信息技术在科学教学中的细节成了时下一线教师关注的焦点。笔者结合平时的教学经验,谈谈信息技术在科学教学中的应注意的一些细节处理的体会。

一、精心解决“传统技术”与信息技术的“矛盾”细节,使科学教学更丰富。

传统技术如实验、挂图、实物的表达在与信息技术的呈现上常有些矛盾,例如课件的呈现顺序往往会影响到学生的有效接受。因此,我们有必要精心解决“传统技术”与信息技术的“矛盾”细节,使科学教学更丰富。

1.信息技术应与实验兼顾的“矛盾”细节处理

科学教学过程中常涉及一些自然现象,而有些自然现象需要通过科学实验的表达,尽管多媒体技术可以将科学实验过程逼真地模拟出来,但这毕竟只是模拟,科学是需要用事实来说话的,模拟的与事实是否相同呢?这必将导致学生心存疑惑。科学实验又往往伴随着物体的运动、发光、发热、颜色与形态的变化,有时甚至是爆炸等极端现象。比如课堂教学的演示实验,学生可以参与其中,在保证安全的前提下由学生亲手完成整个实验的过程,不仅可以增强学生的动手能力,而且可以使学生体验科学探索的途径,分享成功的喜悦。因此信息技术与实验的兼顾势在必然,但在信息技术与实验兼顾的过程中常会出现教学细节处理上的的“矛盾”。

(1)一般演示实验的表达细节

科学的总体教学目标就是要培养学生良好的科学素养,积极的科学探究,以及一定的动手操作能力。因此,实验在科学课堂上所起的作用是十分重要的。信息技术中的模拟动画实验是不能完全代替演示实验的,彼此割裂的两种技术都存在缺陷,但在操作上演示实验在课堂上的表达存在着很多需注意的细节。如在呈现顺序上就值得推敲,是该实验先进行实验,还是先用课件表达?经过教学实践的证明,先进行演示实验然后课件再展示,这样更有利于学生的认知。例如:《声音的传播实验》,当教师逐渐抽出空气时,学生感受到声音的变弱是如此之真实,这种真实感是用动画模拟感受不到的,虽然多媒体能展示实验演示的全过程。当然演示后,教师可以通过多媒体的播放回顾实验,这不仅可以节省时间,而且能很好地体现实验全过程,另外也为一些未注意观察的学生提供了一次了解实验的机会。把握了这种呈现方式上的细节,教学的深刻性就会在信息技术应与实验兼顾的“矛盾”处理中得到很好的解决。

(2)抽象演示实验的表达细节

由于一些实验条件的限制学生自身知识结构的缺乏,一些课本上的实验很难在课堂上进行操作演示。比如像生命科学部分,有些生理过程,往往是看不见、摸不着的,或者是生命的生理活动太快或太慢,学生不易观察,凭借传统的教学手段,借助于图像、模型等来讲述生理过程、现象,只能是纸上谈兵难以达到预期的效果。教师利用信息技术进行演示,使书本中原本静止无声的描述也就变得生动形象,然后师生针对信息技术进行演示的内容归纳得出,这样能使学生在轻松愉快的氛围中掌握知识,激发求知欲,体验信息技术的魅力。

(3)学生探究实验的表达细节

新课程的理念之一是注重学生探究能力的提高。学生探究能力的提高离不开探究实验的实施,问题是科学教学中的探究实验往往跨时较多,涉及的环节复杂。多媒体的融入为实验探究的顺利进行提供了可能。若靠单一的实验很容易造成实验环节的疏忽,这时课件就能起到良好的提醒作用。至于在细节处理上,怎样才能使之更合理呢?根据教学实践来看,每完成一个环节及时通过课件展示,这样不仅能肯定刚才的实验成果,而且能使探究紧凑完成。如:探究欧姆定律时,从问题的提出到实验的进行,中间的实验设计环节需要及时呈现学生的讨论结果或方案,教师应在设计课件时事先预定方案,当学生给出方案后媒体就可以出场了。此时传统技术和信息技术的“矛盾”即转变成了融合。

2.屏幕与传统板书共存的“矛盾”细节处理

课堂教学是一个复杂的过程,教材、教师、学生三者的思维不可能完全吻合,因此,课堂教学需要随机应变,需要教学机智。若全用屏幕来替代,多媒体系统也就成了电子板书,也就无法展现教师教、学生学的思维过程,这样教学的价值会大打折扣。所以传统板书的存在依然有它必要的地方,比如:物质科学部分的微粒含义的理解,教师在板书的过程中,往往可以通过更换不同颜色的粉笔、利用各种不同的符号或圈圈点点来突出重要知识点。虽然这些也能设计成良好的电子板书并展现,但在使用上会觉得很刻板,无法及时更改,总有不方便之处。那么如何解决屏幕与传统板书共存的“矛盾”呢?从新课程实施以来,关于这种“矛盾”争论的从没停止过,从笔者来看,有些重要知识即便在屏幕上有展现,但当切换屏幕后它在学生头脑中的停留势必缩短,如果能在黑板上保留,那么本节课的思路就可以贯穿始终。而在保留板书的过程中,教师要注意枝节的削减,保留主干,并能在保留中有所创新,这样不仅能使“矛盾”得以处理,而且会使课堂焕发出新的活力。

二、精心设计信息技术在不同课型中的“出场”细节,使科学教学更具魅力。

1.科学观察课中信息技术的细节处理

科学教学在生命科学的篇章中经常要观察一些生命现象,如果在这样的观察课中不动用信息技术,那必然会使课堂失去一些色彩。因为信息技术能提供生动形象的声像信息,可以不受时间、空间的限制,在教学中能显示所要观察的科学事物,同时,信息技术还能对时间进行缩放,在显示事物变化发展过程中有独特的功能。但滥用信息技术,学生受声光刺激过强会出现适应,而激不起兴趣。因此信息技术在观察课中的细节处理尤为重要。例如:《观察蜗牛》一课是以蜗牛身体的特征为内容的综合型观察课。若教师机械地在屏幕上讲解各部分的结构作用,虽然信息技术增强蜗牛画面的能见度,但对于学生的兴趣还是难以激发,为了能使信息技术用得巧、用得妙,教师能就得把信息技术藏着掖着,故意卖关子。笔者先让实物蜗牛出场,让学生观察好了,汇报所看到的,在总结过程“请出”屏幕上的蜗牛与大家共赏。这时学生受屏幕中像画面大小与实物大小差异的刺激,兴趣更易激发,在学习过程中更易保持学习的积极性。

2.科学复习课中信息技术的细节处理

一段时间的教学总需要总结。信息技术有它独到的优点,信息量大,综合性强,能将非常琐碎的科学知识很好的呈现。但在实际操作中教师若一味地播放过往知识要点,就显得单调贫乏,学生的注意力持久性就会降低。通常在复习课中信息技术的出场几率是比较高的,但要注意出场的细节。比如复习到《生命科学保护色、拟态》的理解时,在恰当的时候,教师若播放相应的图片或视频,学生对此的理解必然会深刻得多。再如关于光的反射和折射是一个很难分清的知识点,特别是生活中关于水中的反射和折射更易混淆。如果教师在此恰当的时候展现画面,如水中的白云与鱼儿,并通过信息技术展现作图原理,那么不仅能使知识点容易辨别,而且能节省教师作图所用的时间。这样既避免了屏幕播放单纯知识的单调贫乏又落实了学生对知识的理解。若复习课中教师注重这样有效的合理搭配、关注细节处理,信息技术的魅力才能持久。

三、精心处理“内容呈现”上的细节,使信息技术在科学教学中大放光彩。

纵观以上的一些细节处理,其实在教学中“内容呈现”上的细节更值得教师注意。从学生观看、学习有效的角度教师需注意以下一些细节。

1.关于信息量的细节处理

“信息轰炸”已成为教学一线的弊端,许多教师力求把科学中的各种注意点都在屏幕上展现,包括书本上的一些图片、要点,能呈现的尽量呈现,其实这样的操作不仅重点突出不了,而且学生不可能看全屏幕上的要点,并加以内化。一节课下来,有些教师课件中的幻灯片放了几十张,五彩缤纷的多媒体信息包围着学生,其琳琅满目的程度令人头昏目眩,极易导致视、听觉疲劳,思维训练的不足,学生在信息技术的刺激下成了“迷航”的“水手”,其实关于信息量的处理不在多而在与精。只要到位不需要太多的幻灯片呈现,从笔者的教学实践来看,一节课的PowerPoint幻灯片数不应超过15张的教学内容,因为多了学生就停留在了表面的视觉应付上,疲于接受。

2.关于字体大小细节处理

科学教学时常需呈现一些概念,而概念的呈现涉及字体的大小把握,这关系到学生的视觉接受能力,比如一个大标题物体的颜色就适合选择60号左右的字体、黑体呈现。如果是大标题下的定义或要点则至少要达到36号字体以上、黑体呈现,比如光的反射定律,“反射光线、入射光线和法线在同一平面内;反射光线、入射光线分居在法线的两侧;反射角等于入射角”。当然同一屏幕字体的大小种类也不适合繁多,从大标题到小标题最好控制在三种以内,能突出层次而又不纷乱,这样的视觉效果更易被学生接受。

3.关于色彩搭配细节处理

信息技术在追求质感画面的同时,若同一屏幕下色彩纷呈,不仅会使学生的注意力不易集中,而且会使其觉得眼花缭乱,致使学习的效率不能有效地提高。如果是一般的字体内容,不同颜色的字体不宜超过三种,并且字体大小的搭配也需与颜色谨慎考虑,在同一句语句中不适合采用三种或三种以上的颜色搭配,一般在同一语句中的颜色跳跃的次数也不宜过频繁。比如:“蒸发在任何温度下都能进行,蒸发发生在液体的表面,是一种不易觉察缓慢的汽化现象”,在强调其中的要点“任何温度、表面、缓慢”这些词语时就不宜采用三种不同的色彩,只适合同样同种色彩的处理,也就是将强调的要点与语句本色的颜色设成不一样即可达到强调的目的。

毋庸置疑,关注信息技术的表达细节,取决于教师以怎样的方式将它用到教学中恰当的环节,使之成为教学的有机部分,促成科学课堂更精彩。

参考文献:

[1]吴哲.信息技术和科学教学的有效整合探究,2008.5.

[2]马勇.浅谈应用现代信息技术优化科学课堂教学,2007.4.

第3篇：关于光的科学实验范文

文章摘要：摘 要:简要地论述了目前国内光学工程教学现状,分析了在光学工程教学与科研领域中处于一流地位的多所美国大学的教学方式,如亚利桑那大学、罗切斯特大学以及加州大学等,仔细研究了它们关于光学工程学科的课程设置、教学大纲和教学课件。结合作者在教学中的实际...  

    摘　要:简要地论述了目前国内光学工程教学现状,分析了在光学工程教学与科研领域中处于一流地位的多所美国大学的教学方式,如亚利桑那大学、罗切斯特大学以及加州大学等,仔细研究了它们关于光学工程学科的课程设置、教学大纲和教学课件。结合作者在教学中的实际体会,对国内的光学工程学科的大学教学提出了几点建议,即师生共享教学大纲,注重实验与工程,丰富网络资源。

    关键词:光学工程;课程设置;教学大纲;实验;工程;网络资源

    光学工程是国家一级学科,其理论基础为光学、光电子学、应用光学、量子光学和非线性光学等。目前,光学工程已发展为以光学技术与信息科学为基础,与能源科学、材料、生命科学、精密机械与制造、计算机科学、医学及微电子技术等紧密交叉和相互渗透学科。 近几年来,光电子信息产业发展迅速,对光学工程专业的人才需求增加。为了适应时代的需求,许多高校纷纷设立与光学工程有关的院系,如国防科技大学的光电科学与工程学院、重庆大学的光电工程学院、电子科技大学的光电信息学院、天津大学的精密仪器与光电子学院等。

    有的院校虽然没有单独设立院系,但都开设了相应的专业方向,如北京理工大学信息科学技术学院光电工程系、上海交通大学光信息科学与技术专业等。 虽然光学工程已经引起国人的重视,但它毕竟是一门新兴的学科,如何办好该学科,以适应产业需求,高质量地培养光学工程人才是许多高校乃至整个国家需要解决的课题。社会的发展对高校人才培养提出了新的挑战,要培养适应现在和未来社会的高素质复合人才就必须创新人才培养模式,本科是创新性人才培养的基础。本文对众多美国知名大学的教学方式进行了研究,并对在光学工程教学与科研领域中处于一流地位的亚利桑那大学(University of Arizona)[1]、罗切斯特大学(University of Rochester)[2]以及加州大学(University of California)[3]等大学的教学目标、课程设置、教学大纲和教学课件进行了分析,结合目前国内教学的实际情况以及作者在多年教学中的切身感受,对国内光学工程学科的大学教育提出了几点建议。

    教学大纲是按照教学计划中关于各学科的教学目的和任务,根据学生的特点、知识水平以及发展学生智力的需要,以纲要的形式,具体规定每门学科的教材范围、深度、体系和结构、教学时间以及教学法上的具体要求。最近改名为课程标准,它是在上述要求的基础上增加了过程与方法、情感态价值观等方面的内容。 在国内,教学大纲一般由教学管理部门或任课老师制定, 在课程的第一次课,多数教师会将大纲的主要内容告知学生。学生很少参与大纲的制定,只是被动地接收受已经制定好的内容。

    在美国,绝大多数大学都要求教师和他们的学生共享教学大纲。老师的第一次课并不讲授具体的知识,而是把教学大纲发给学生,和学生一起讨论教学大纲,以达成某种共识。 教学大纲更合理。“教学”是由教师的“教”和学生的 “学”所组成的双边活动。如果教学大纲只是由“教”这一边来制定,由于对学生的实际情况了解不够深入,它可能符合老师 “教”的要求,而非常不利于学生的“学”。如课程中的一些背景知识,老师在制定大纲的时候认为学生已经掌握,但学生并没有掌握,这样就会导致知识的断点;相反,则可能会出现知识点重复。

    这种情况在我们的教学中是很难完全避免的。如果老师在正式上课之前,将教学大纲拿到课堂上与学生一起讨论,听取学生意见,合理地采纳学生的一些建议,可以使所制定的教学大纲不仅适合教师的“教”,而且还适合学生的 “学”。 为学生的学习提供指南。通过对教学大纲的学习与讨论,学生可以很好地把握这门课程所要学习的内容,从而作出选修与否的决定。

    在学习的过程中,学生可以不时地拿出课程大纲,对照自己的学习情况确定是否达到课程大纲的要求。另外由于学生很好地掌握了每次课将要学习的内容,根据自己的实际情况做出是否要提前预习,会使整个学习过程更轻松,学习更具有系统性和条理性。 约束教师的教学。教学大纲是教师和学生共同制定的,这就相当于教师和学生之间的一种契约,在教师要求学生 “学”的同时对教师的“教”也提出了要求。教师在教的过程这必须严格地按照教学大纲来进行,不能随意地增加、删减内容、调整教学次更改教学时间,不能不公正地评定学生的成绩等。这在一定程度上可以约束教师的行为,提高教师的素质和教学质量。 “光学工程”是一门年轻的学科,许多课程的教学大纲还处于制定和完善状态。

    让学生参与到大纲的制定中,使我们的大纲不仅适合教师的“教”,而且还有利于学生的“学”,为高质量的“教学”打下基础。 “光学工程”是一门工科学科,学生的动手能力和工程实践能力对其将来的工作有很大影响。因此,学生在大学阶段所受的实验和工程方面的教育就显得尤为重要。事实上,在光学工程领域中处于一流地位的美国亚利桑那大学、罗切斯特大学等学校都是非常注重实验和工程的。

第4篇：关于光的科学实验范文

从平面走向立体的光色描绘

在绘画领域发生的第一次变革正是对光与色的强调。追求光色真实性的画家们尝试着描绘阴影，通过对阴影处的完美表达让他们捕捉到了层次丰富的光色，观众第一次在诸如衣褶间观察到了人物形象的立体感，画面光色形象据此从单纯的平面走向了光影交织且丰富的立体。作品不再是简单的前景和背景间平色的区分，人们在画面中看见了活灵活现的色彩形象及其光影空间，这大概发生在古罗马时期，到了欧洲文艺复兴及其以后，古典光与色的写实画风被推向了顶峰。

可见光色与光谱

牛顿于17世纪做了一个具有里程碑意义的白光（太阳光）色散的科学实验，这也是牛顿致力于颜色的现象和光的本性的研究。1666年，牛顿用三棱镜研究白光，得出了令人激动的结论。白光是由不同颜色（即不同波长）的光组成，不同波长的光具有不同的折射率。在可见光中，红光波长最长，折射率最小；紫光波长最短，折射率最大。牛顿的这一重要发现成为光谱分析的基础，揭示了光色的秘密。

可见光的光谱排序为：红、橙、黄、绿、蓝，靛、紫，和彩虹的光谱排序一样。实际上，光谱可以超越可见光的光谱范围，其波长可以更长（比红色长），也可以更短（比紫色短）。在光谱上，不同的波长对应着一定的能量。根据丹麦著名物理学家玻尔的玻尔模型，光谱是原子中电子从激发态回到较低能量状态时发出的光子产生的。我们看到的光的各种颜色是由发光体各类原子发射的某个能量（频率）的光子所产生的。白光通过棱镜可分解成波长不一的光谱。我们可以说，各类原子构成光的来源，无论是电光还是遥远的星光。这是光谱科学的基础。

追求具有新鲜感的光色表达

印象主义是欧洲乃至世界绘画史上的一次大革命，对近代绘画的发展有着深远的影响。法国画家莫奈是印象派的主要代表人物之一。印象派名称的由来，就是从莫奈的油画《日出・印象》中的“印象”一词而来。因而，莫奈之名与“印象主义者”一语有着不可分离的关联。

莫奈是一位“光色”的讴歌者，他不断地探索描绘明亮阳光照射下的自然景物。他探索的一个目的是要把物体之间的维系点找出来。对他而言，这象征着逐渐克服的自然界线，如海与洋之间的联系物。有些维系点是他发现并分开物体间的关键。

如果说莫奈是印象派的发起者，那么法国另一位画家乔治・修拉则是新印象派（新印象主义）的创始人。1878年，修拉开始对当时所有关于光和色的科学理论产生了兴趣。他发现绘画必须用到眼睛，因此开始彻底研究视觉现象，并不断研读绘画技法书籍，甚至涉猎几何学以及物理学。而此时，英国物理学家麦克斯韦已经预测到了各种可见色光、乃至自然中存在的运行速度与可见光相同的辐射都是电磁交替的横波。修拉还熟读了法国化学家谢弗勒在1839年所写的《色彩的协调与对比原理》一书，该书写到：“任何单独的颜色都被其补色的光晕所影响。”这种光学原理是印象派所信奉并实践的金科玉律，但没有一位画家能像修拉那样，将此原理如此彻底地实践，及创造新的理论。

修拉专心研读了有关色彩的科学著作，决心以科学的色彩方法将印象主义从直觉印象引向理性分析，以合乎规律的笔触给光色和物象以永恒的形式。1884年，他全面走上新印象主义道路，其代表作品是《大碗岛星期日的下午》，该作品以新印象主义特有的色彩分割画面，并配以彩点，使画面有着灿烂的光色感和朦胧的意境，人物、景物的细部虽不清晰，但整体感清晰可辨。

新印象派是对印象派光色运用的进一步科学化和精确化。修拉独创的“点”描技法与配色，可以让观众的眼睛在点与色之间产生一种色彩和谐感。修拉称这种技巧在绘画派别上被称为“分光派”，也是后来艺术史家所称的“点描派”。

20世纪画坛表现出的多样性的光色

从19世纪末迈入20世纪，各类艺术家都被第四维及其描绘方法迷住了。对非欧几何这样的数学概念，以及对电磁波、X射线和电子等这样最新科学发现的兴趣，激起了他们以空间绘画艺术等形式将其记录下来。

第5篇：关于光的科学实验范文

[关键词]发散思维 生物学教学 培养

[中图分类号]G42 [文献标识码]A [文章编号]1009-5349（2012）09-0205-02

教学的心理活动主要是思维活动，教学的主要目的在于使学生建立良好的认知结构，这要求我们既要重视思维结果的教学，更要重视思维过程的教学。通过科学史暴露科学家的思维，分析教材体系暴露编写者的思维，介绍教师的方法暴露教师的思维，加强学习的反馈暴露学生的思维，综合协调以上生物学思维的暴露，及时了解学生的思维流向，可以培养学生的科学思维方法。

生物学思维同一般思维一样，具有以下基本类型：1.动作思维、形象思维和抽象思维；2.再生性思维和创造性思维；3.直觉思维和逻辑思维。其中创造性思维又称创新思维，不仅能创见性地揭示生物学对象的本质，并能在此基础上产生新颖的思维成果。它包括发散思维和集中思维。发散思维又叫求异思维，是逆向思维和多向思维，即反过来想和寻求尽可能多的合理答案。从不同方向、不同角度进行多向联想，从问题的多种可能方向扩散出去，开阔思维视野，寻求问题的最优化解法，是发散思维的具体表现。集中思维也叫求同思维，是在发散思维的结果中寻求解决问题的唯一或最佳答案。其两者的有机结合组成了创造性思维。创造性思维是智力高度发展的结果，也是生物学科思维中最有价值的部分。[1]

随着课程改革的实施，要求学生不仅掌握基础知识和基本技能，而能力的培养更加得到重视。本文通过在生物学教学中的一些实例，介绍学生发散思维能力培养的不同方法，利于提高生物科学素养。

一、问题情境中激发思维

问题是思维的起点，思维是在一定的问题情境中产生。教学中通过创造必要的问题情境，诱发学生的创造性思维。如在讲授动物细胞增殖时，给学生提出了这样的问题：母亲与他孩子的体细胞数目是否相同？人在婴幼儿期、青少年期、老年期等不同的阶段体细胞数目又是否有所不同？产生差异的原因是什么？通过问题设置教学情境激发学生的思维而导入新课教学。

二、概念图教学培养学生的发散思维

国内外大量的研究证明，概念图对于构建个人概念结构、提高学生解决问题的能力等方面都有很好的效果，利于学生空间智能的发展。在教学过程中，教师可以根据具体的教学情境，结合其他的教学策略（比如头脑风暴法、生本教育、合作学习、探究式学习、问题教学等）使用概念图。比如在“光合作用”一节的教学中，教师可以将学生分成小组，把概念图教学与头脑风暴法、合作学习相结合来开展教学，学生既可以通过自己绘制概念图来构建自己关于光合作用的认知，还可以在与同学的合作讨论中不断发现问题，取长补短，弥补自己思维的不足，在反思中不断完善概念图。另外教师还可以将概念图与问题教学相结合，教师通过概念图来呈现结构不良的问题，以激发学生的学习兴趣。给学生以更大的自由度，学生可以根据自己的理解及合作讨论交流来构建概念图，更有利于学生发挥创造性思维。[2]

三、在知识的连结、迁移上发挥学生多向思维

如在讲授鸟类的结构时，从鸟类适应飞翔生活的特征开始，让学生在已知动物基本结构的基础上，运用迁移理论展开想象，说出各种答案，如鸟羽、翼、充气质骨、肌肉分布、肌肉成分、气囊、双重呼吸、直肠短、双循环、一侧结构退化等方面，教师针对学生提出的各种答案集中归结到外部结构，以及内部结构的骨骼系统、肌肉系统、呼吸系统、消化系统、循环系统、生殖系统、神经系统和感官等，进而扩展到不能飞翔生活的鸟类原因是什么，结构又有哪些不同？自然过渡完成一节课程的教学。

四、在知识的应用方面注重学科间知识的交叉，培养学生的多向思维

讲到鱼的经济意义食用方面，很多人苦恼于它的泥土味和腥味，生活中如何处理？烹饪前用盐水将鱼洗净，就可以去除它的泥土味和腥味。进而又引发学生思考，盐这种化学物质是否具有其他作用呢？鼓励学生们结合物理性质、化学性质和生活实践发挥想象，尽可能地说出用途，学生们的想象力十分丰富。食盐是最常用的调味品；可以防治脱发、可以止血，可以美容，用盐水洗冻疮可止痒，早上喝一杯淡盐水，有助大便通畅，用油炸食物时，将一点盐放入油锅内，油就不会向外溅了，洗衣服时在水中放些盐可以防止衣服褪色，用热盐汤浸泡双脚或用炒盐熨贴腰背和关节处，对风湿筋骨病，有一定的止痛作用等[3]；但是，食盐摄取过多对人体又会产生副作用，血压升高……这样在多学科间促进学习迁移。

五、变验证性实验为综合性、设计性实验，发挥学生逆向思维，大胆否定，重视预测和猜想，培养学生的发散思维

在实验教学中增加了实验选题、设计与实施的项目。由学生在教师指导下，在已掌握知识与技能的基础上，选择教师提供的生物学范畴内的小课题或自行命题，然后设计实验至完成实验。目的要求：1.训练学生查阅资料，发现问题，灵活运用所学知识和技能设计实验，完成实验，以验证或解决某一实际问题的能力，培养创新意识和能力。2.检验全学期教与学两方面的教学质量。实验原理：学生在已掌握生物学基础知识、基本理论和基本实验技能的基础上，在教师的指导下，根据实验室条件，完成选题、设计实验、实验准备、实施实验和实验小结等全过程。培养动手能力，分析解决问题的能力和创新思维。实验内容：1.查阅资料，选题。2.查阅资料，灵活运用所学知识和技能设计实验。3.实施并完成自行设计实验。4.小结实验，写出实验报告。实验材料和用品：由学生根据实验需要自行准备。

六、开展活动课程教学，提升学生全面素质

一般的生物课在知识的系统性和学习的效率性上占优势，生物学活动课在促进知识的综合化、培养创造能力、发展个性特长和促进理论与实践相结合等方面占有明显的优势，生物活动课具有科普讲座、科学实验、科学观察、科技小制作、科技小发明、科技小论文、参观访问、专题调查等多种活动方式。通过两者结合实现课程的优势互补，让学生利用业余时间走出课堂，在生物学活动课中进行小型课题研究和小论文的撰写，这是培养创造性思维活动的一种良好方式。[4]

总之，在生物教学中应该打破陈旧的教师讲学生听局面。从新的理念出发，体现以生为本，灵活运用迁移理论，联系学生实际，挖掘潜能并开启学生的发散思维，并将其与集中思维有机结合，培养具有独创性、变通性、敏锐性和综合性等特点的创造性思维，使学生养成良好的生物学思维，提高能力。

【参考文献】

[1]胡继飞，郑晓蕙.生物学教育心理学[M].广州：广东高等教育出版社，2002：108-110.

[2]郭杏，郑晓蕙.概念图在生物学教学中的应用[J].生物学教学，2006.31（5）：76-78.

第6篇：关于光的科学实验范文

二十世纪即将结，二十一世纪即将来临，二十世纪是光辉灿烂的一个世纪，是个类社会发展最迅速的一个世纪，是科学技术发展最迅速的一个世纪，也是物理学发展最迅速的一个世纪。在这一百年中发生了物理学革命，建立了相对信纸和量子力学，完成了从经典物理学到现代物理学的转变。在二十世纪二、三十年代以后，现代物理学在深度和广度上有了进一步的蓬勃发展，产生了一系列的新学科的交叉学科、边缘学科，人类对物质世界的规律有了更深刻的认识，物理学理论达到了一个新高度，现代物理学达到了成熟的阶段。

在此世纪之交的时候，人们自然想展望一下二十一世纪物理学的发展前景，探索今后物理学发展的方向。我想谈一谈我对这个问题的一些看法和观点。首先，我们来回顾一下上一个世纪之交物理学发展的情况，把当前的情况与一百年前的情况作比较对于探索二十一世纪物理学发展的方向是很有帮助的。

一、历史的回顾

十九世纪末二十世纪初，经典物物学的各个分支学科均发展到了完善、成熟的阶段，随着热力学和统计力学的建立以及麦克斯韦电磁场理论的建立，经典物理学达到了它的顶峰，当时人们以系统的形式描绘出一幅物理世界的清晰、完整的图画，几乎能完美地解释所有已经观察到的物理现象。由于经典物理学的巨大成就，当时不少物理学家产生了这样一种思想：认为物理学的大厦已经建成，物理学的发展基本上已经完成，人们对物理世界的解释已经达到了终点。物理学的一些基本的、原则的问题都已经解决，剩下来的只是进一步精确化的问题，即在一些细节上作一些补充和修正，使已知公式中的各个常数测得更精确一些。

然而，在十九世纪末二十世纪初，正当物理学家在庆贺物理学大厦落成之际，科学实验却发现了许多经典物理学无法解释的事实。首先是世纪之交物理学的三大发现：电子、X射线和放射性现象的发现。其次是经典物理学的万里晴空中出现了两朵“乌云”：“以太漂移”的“零结果”和黑体辐射的“紫外灾难”。[1]这些实验结果与经典物理学的基本概念及基本理论有尖锐的矛盾，经典物理学的传统观念受到巨大的冲击，经典物理发生了“严重的危机”。由此引起了物理学的一场伟大的革命。爱因斯坦创立了相对论；海林堡、薛定谔等一群科学家创立了量子力学。现代物理学诞生了！

把物理学发展的现状与上一个世纪之交的情况作比较，可以看到两者之间有相似之外，也有不同之处。

在相对论和量子力学建立起来以后，现代物理学经过七十多年的发展，已经达到了成熟的阶段。人类对物质世界规律的认识达到了空前的高度，用现有的理论几乎能够很好地解释现在已知的一切物理现象。可以说，现代物理学的大厦已经建成。在这一点上，目前有情况与上一个世纪之交的情况很相似。因此，有少数物理学家认为今后物理学不会有革命性的进展了，物理学的根本性的问题、原则问题都已经解决了，今后能做到的只是在现有理论的基础上在深度和广度两方面发展现代物理学，对现有的理论作一些补充和修正。然而，由于有了一百年前的历史经验，多数物理学家并不赞成这种观点，他们相信物理学迟早会有突破性的发展。另一方面，虽然在微观世界和宇宙学领域中有一些物理现象是现代物理学的理论不能很好地解释的，但是这些矛盾并不是严重到了非要彻底改造现有理认纱可的程度。在这方面，目前的情况与上一个世纪之交的情况不同。在上一个世纪之交，经典物理学发生了“严重的危机”；而在本世纪之交，现代物理学并无“危机”。因此，我认为目前发生现代物理学革命的条件似乎尚不成熟。

虽然在微观世界和宇宙学领域中有一些物理现象是现代物理学的理论不能很好地解释的，但是这些矛盾并不是严重到了非要彻底改造现有理认纱可的程度。在这方面，目前的情况与上一个世纪之交的情况不同。在上一个世纪之交，经典物理学发生了“严重的危机”；而在本世纪之交，现代物理学并无“危机”。因此，我认为目前发生现代物理学革命的条件似乎尚不成熟。客观物质世界是分层次的。一般说来，每个层次中的体系都由大量的小体系（属于下一个层次）构成。从一定意义上说，宏观与微观是相对的，宏观体系由大量的微观系统构成。物质世界从微观到宏观分成很多层次。物理学研究的目的包括：探索各层次的运动规律和探索各层次间的联系。

回顾二十世纪物理学的发展，是在三个方向上前进的。在二十一世纪，物理学也将在这三个方向上继续向前发展。

1）在微观方向上深入下去。在这个方向上，我们已经了解了原子核的结构，发现了大量的基本粒子及其运规律，建立了核物理学和粒子物理学，认识到强子是由夸克构成的。今后可能会有新的进展。但如果要探索更深层次的现象，必须有更强大得多的加速器，而这是非常艰巨的任务，所以我认为近期内在这个方向上难以有突破性的进展。

2）在宏观方向上拓展开去。1948年美国的伽莫夫提出“大爆炸”理论，当时并未引起重视。1965年美国的彭齐亚斯和威尔逊观测到宇宙背景辐射，再加上其他的观测结果，为“大爆炸”理论提供了有力的证据，从此“大爆炸”理论得到广泛的支持，1981年日本的佐藤胜彦和美国的古斯同时提出暴胀理论。八十年代以后，英国的霍金[2,3]等人开始论述宇宙的创生，认为宇宙从“无”诞生，今后在这个方向上将会继续有所发展。从根本上来说，现代宇宙学的继续发展有赖于向广漠的宇宙更遥远处观测的新结果，这需要人类制造出比哈勃望远镜性能更优越得多的、各个波段的太空天文望远镜，这是很艰巨的任务。

我个人对于近年来提出的宇宙创生学说是不太信的，并且认为“大爆炸”理论只是对宇宙的一个近似的描述。因为现在的宇宙学研究的只是我们能观测到的范围以内的“宇宙”，而我相信宇宙是无限的，在我们这个“宇宙”以外还有无数个“宇宙”，这些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影响、有作用的。现代宇宙学只研究我们这个“宇宙”，当然只能得到近似的结果，把他们的延伸到“宇宙”创生了初及遥远的未来，则失误更大。

3）深入探索各层次间的联系。

这正是统计物理学研究的主

要内容。二十世纪在这方面取得了巨大的成就，先是非平衡态统计物理学有了得大的发展，然后建立了“耗散结构”理论、协同论和突变论，接着混沌论和分形论相继发展起来了。近年来把这些分支学科都纳入非线性科学的范畴。相信在二十一世纪非线性科学的发展有广阔的前景。

上述的物理学的发展依然现代物理学现有的基本理论的框架内。在下个世纪，物理学的基本理论应该怎样发展呢？有一些物理学家在追求“超统一理论”。在这方面，起初是爱因斯坦、海森堡等天才科学家努力探索“统一场论”；直到1967、1968年，美国的温伯格和巴基斯坦的萨拉姆提出统一电磁力和弱力的“电弱理论”；目前有一些物理学家正在探索加上强力的“大统一理论”以及再加上引力把四种力都统一起来的“超统一理论”，他们的探索能否成功尚未定论。

爱因斯坦当初探索“统一场论”是基于他的“物理世界统一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最终没有成功。我对此有不同的观点，根据辩证唯物主义的基本原理，我认为“物质世界是既统一，又多样化的”。且莫论追求“超统一理论”能否成功，即便此理论完成了，它也不是物理学发展的终点。因为“在绝对的总的宇宙发展过程中，各个具体过程的发展都是相对的，因而在绝对真理的长河中，人们对于在各个一定发展阶段上的具体过程的认识只具有相对的真理性。无数相对的真理之总和，就是绝对的真理。”“人们在实践中对于真理的认识也就永远没有完结。”[5]

现代物理学的革命将怎样发生呢？我认为可能有两个方面值得考试：

1）客观世界可能不是只有四种力。第五、第六……种力究竟何在呢？现在我们不知道。我的直觉是：将来最早发现的第五种力可能存在于生命现象中。物质构成了生命体之后，其运动和变化实在太奥妙了，我们没有认识的问题实在太多了，我们今天对于生命科学的认识犹如亚里斯多德时代的人们对于物理学的认识，因此在这方面取得突破性的进展是很可能的。我认为，物理学业与生命科学的交叉点是二十一世纪物理学发展的方向之一，与此有关的最关于复杂性研究的非线性科学的发展。

2）现代物理学理论也只是相对真理，而不是绝对真理。应该通过审思现代物理学理论基础的不完善性来探寻现代物理学革命的突破口，在下一节中将介绍我的观点。

三、现代物理学的理论基础是完美的吗？

相对论和量子力学是现代物理学的两大支柱，这两大支柱的理论基础是否十全十美的

呢？我们来审思一下这个问题。

1）对相对论的审思

当年爱因斯坦就是从关于光速和关于时间要领的思考开始，创立了狭义相对论[1]。我们今天探寻现代物理学革命的突破口，也应该从重新审思时空的概念入手。爱因劳动保护坦创立狭义相对论是从讲座惯性系中不同地点的两个“事件”的同时性开始的[4]，他规定用光信号校正不同地点的两个时钟来定义“同时”，这样就很自然地导出了洛仑兹变换，进一步导致一个四维时空（x，y，z，ict）（c是光速）。为什么爱因劳动保护担提出用光信号来校正时钟，而不用别的信号呢？在他的论文中没有说明这个问题，其实这是有深刻含意的。

时间、空间是物质运动的表现形式，不能脱离物理质运动谈论时间、空间，在定义时空时应该说明是关于什么运动的时空。现代物理学认为超距作用是不存在的，A处发生的“事件”影响B处的“事件”必须通过一定的场传递过去，传递需要一定的时间，时间、空间的定义与这个传递速度是密切相关的。如果这种场是电磁场，则电磁相互作用传递的速度就是光速。因此，爱因斯坦定义的时空实际上是关于由电磁相互作用引起的物质运动的时空，适用于描述这种运动。

爱因斯坦把他定义的时间应用于所有的物质运动，实际上就暗含了这样的假设：引力相互作用的传递速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速传递的呢？令引力相互作用的传递速度为c＇。至今为止，并无实验事实证明c＇等于c。爱因斯坦因他的“物质世界统一性”的世界观而在实际上假定了c=c＇。我持有“物质世界既统一，又多样化的”以观点，再加之电磁力和引力的强度在数量级上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工样，关于由电磁力引起的物质运动的四维时空（x，y，z，ict）和关于由引力引起的运动的时空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的问题只涉及一种相互作用，则按照现在的理论建立起来的运动方程的形式不变。例如，爱因斯坦引力场方程的形式不变，只需把常数c改为c＇。如果研究的问题涉及两种相互作用，则需要建立新的理论。不过，首要的事情是由实验事实来判断c＇和c是否相等；如果不相等，需要导出c＇的数值。

我在二十多年前开始形成上述观点，当时测量引力波是众所瞩目的一个热点，我曾对那些实验寄予厚望，希望能从实验结果推算出c＇是否等于c。令人遗憾的是，经过长斯的努力引引力波实验没有获得肯定的结果，随后这项工作冷下去了。根据爱国斯坦理论预言的引力波是微弱的，如果在现代实验技术能够达到的测量灵敏度和准确度之下，这样弱的引力波应该能够探测到的话，长期的实验得不到肯定的结果似乎暗示了害因斯坦理论的缺点。应该从c＇可能不等于c这个角度来考虑问题，如果c＇和c有较大的差异，则可能导出引力波的强度比根据爱因劳动保护坦理论预言的强度弱得多的结果。

弱力、强力与引力、电磁力有本质的不同，前两者是短程力，后两者是长程力。不同的相互作用是通过传递不同的媒介粒子而实现的。引力相互作用的传递者是引力子；电磁相互作用的传递者是光子；弱相互作用的传递者是规范粒子（光子除外）；强相互作用的传递者是介子。引力子和光子的静质量为零，按照爱因斯坦的理论，引力相互作用和电磁相互作用的传递速度都是光速。并且与传递粒子的静质量和能量有关，因而其传递速度是多种多样的。

在研究由弱或强相互作用引起的物质运动时，定义惯性系中不同的地点的两个“事件”的“同时”，是否应该用

弱力或强力信号取代光信号呢？我对核物理学和粒子物理学是外行，不想贸然回答这个问题。如果应该用弱力或强力信号取代光信号，那么关于由弱力或强力引起的物质运动的时空和关于由电磁力引起的运动的时空（x，y，z，ict）及关于由引力引起的运动的时空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）

有很大的不同。设弱或强相互作用的传递速度为c＇＇，c＇＇不是常数，而是可变的，则关于由弱或强力引起的运动的时空为（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），时间t＇＇和空间（x＇＇，y＇＇，z＇＇）将是c＇的函数。然而，很可能应该这样来考虑问题：关于由弱力引起的运动的时空，在定义中应该以规范粒子的静质量取作零时的速度c1取代光速c。由于“电弱理论”把弱力和电磁力统一起来了，因此有可能c1=c，则关于由弱力引起的运动的时空和关于由电磁力引起的运动的时空是相同的，同为（x，y，z，ict）。关于由强力引起的运动的时空，在定义中应该以介子的静质量取作零（在理论上取作零，在实际上没有静质量为零的介子）时的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。则关于由强力引起的运动的时空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。无论上述两种考虑中哪一种是对的，整个物质世界的时空将是高于四维的多维时空。对于由短程力（或只是强力）引起的物质运动，如果时空有了新的一义，就需要建立新的理论，也就是说需要建立新的量子场论、新的核物理学和新的粒子物理学等。如果研究的问题既清及长程力，又涉及短程力（尤其是强力），则更需要建立新的理论。

1）对量子力学的审思

从量子力学发展到量子场论的时候，遇到了“发散困难”[6]。1946——1949年间，日本的朝永振一郎、美国的费曼和施温格提出“重整化”方法，克服了“发散困难”。但是“重整化”理论仍然存在着逻辑上的缺陷，并没有彻底克服这一困难。“发散困难”的一个基本原因是粒子的“固有”能量（静止能量）与运动能量、相互作用能量合在一起计算[6]，这与德布罗意波在υ=0时的异性。

现在我陷入一个两难的处境：如果采用传统的德布罗意关系，就只得接受不合理的德布罗意波奇异性；如果采纳修正的德布罗意关系，就必须面对使新的理论满足相对论协变性的难题。是否有解决问题的其他途径呢？我认为这个问题或许还与时间、空间的定义有关。现在的量子力学理论中时宽人的定义实质上依然是决定论的定义，而不确定原理是微观世界的一条基本规律，所以时间、空间都不是严格确定的，决定论的时空要领不再适用。在时间或空间的间隔非常小的时候，描写事情顺序的“前”、“后”概念将失去意义。此外，在重新定义时空时还应考虑相关的物质运动的类别。模糊数学已经发展得相当成熟了，把这个数学工具用到微观世界时空的定义中去可能是很值得一试的。

1）在二十一世纪物理学将在三个方向上继续向前发展（1）在微观方向上深入下去；（2）在宏观方向上拓展开去；（3）深入探索各层次间的联系，进一步发展非线性科学。

2）可能应该从两方面去控寻现代物理学革命的突破口。（1）发现客观世界中已知的四种力以外的其他力；（2）通过审思相对论和量子力学的理论基础，重新定义时间、空间，建立新的理论

第7篇：关于光的科学实验范文

陈新亮（1970.3-），男，汉族，河北怀来人，河北北方学院艺术学院党委书记，公共管理硕士，社会科学副研究员，主要研究方向大学生思想政治教育管理。

摘要：时空观是关于时间和空间的根本看法和根本观点，是自然观的重要组成部分。在科学史上，每一次重大理论的变革往往伴随着新时空观的诞生。在牛顿力学体系中产生的绝对时空观使人们的思维机械化，世间一切皆在做机械运动。20世纪初，相对论诞生于世，从而赋予了时间和空间以崭新的概念，改变了传统的绝对时空观。相对论从根本上改变了人们对时间和空间的看法：时间和空间是紧密联系的，时间、空间和物质密不可分，时空告诉物质怎样运动，物质告诉时空怎样弯曲。相对论革新了旧的牛顿时空观，对科学和哲学产生了巨大的影响。本文先论述前爱因斯坦的牛顿绝对时空观，再阐述爱因斯坦相对论对时空理论的变革，进而说明爱因斯坦相对论变革时空观对科学和哲学的意义。

关键词：时空观；牛顿的绝对时间观和绝对空间观；相对论

时空观，顾名思义，就是对时间和空间的根本看法和根本观点，它构成了哲学上自然观的重要内容和组成部分。随着科学与社会的发展，人们对于时间和空间的认识也在不断地加深。20世纪初发生了现代物理学革命，在这个激动人心的年代里，爱因斯坦相对论的诞生彻底否定了牛顿经典力学体系的绝对时空观，深刻地揭示了时间和空间所具有的本质属性和它们与物质以及物质运动的关系，引起了时空学说的一次重大变革，形成了新的时空观并产生了深远的影响。目前学者们对于爱因斯坦相对论引起时空观变革这一问题的研究已经取得了重大成果，但是对此问题应当有个简明、清晰的系统阐述。本文预从介绍前爱因斯坦的时空观，重点介绍牛顿的绝对时空观入手，进而阐明爱因斯坦相对论变革时空观的内容和意义。

一、对爱因斯坦时空观的概述

从古至今，无论在中国还是在西方，科学上和哲学上的一个大的课题就是关于时间和空间的问题，人们总是在问时间和空间究竟是什么。中国古代就有这样的说法，古往今来为宙，上下四方为宇。显而易见，在这里，“宙”指的是时间，即过去、当今和未来以及白天与黑夜的更替、春夏秋冬的更迭，而这种时间的观念来自于平日里对自然现象的观察和经验的直觉。“宇”则指的是空间，即上下左右前后、东南西北。时间是无始无终的，空间是无边无际的。在西方，许多先哲也思考了时间和空间的问题。

（一）时空观概述

古希腊哲学家德谟克利特认为空间和时间是没有物质的时空，柏拉图则认为时间是在存在之外的。对时间和空间形成系统认识的人，最早是古希腊的亚里士多德，关于时间的问题，亚里士多德提出时间是描述“运动”的“数”，他指出：“变化总是或快或慢，而时间没有快慢。因为快慢是用时间确定的：所谓快就是时间短而变化大，所谓慢就是时间长而变化小；而时间不能用时间确定，也不用运动变化中已达到的量或已达到的质来确定。”[1] 由此可见时间不是运动，而是描述运动的数。亚里士多德认为大地是球形的，地球是宇宙的中心。物体在宇宙中的位置具有关键的作用，每个物体都有各自的天然位置，只要没有阻挡，它们都会到达各自的天然位置。[2] 在当时教会统治人们思想的社会背景下以及当时的社会和科学发展水平，加之亚里士多德的时空观符合人们当时对自然现象的认识，以至于亚里士多德的时空观对人们的思维造成了很长时间的影响。但是，由于科学技术的进步，哥白尼提出了日心说，彻底否定了地球是宇宙中心的说法。到17世纪，伽利略提出了力学相对性原理，亚里士多德的时空观才被伽利略用明确的语言和简单的物理现象所批驳。紧随其后，牛顿提出了绝对时间观和绝对空间观。之后，康德认为时间和空间意识是人类的先天直观形式，而不是从感觉经验中得来的。当然，人们对于时间和空间性质的认识不仅仅停留在哲学层次上，关于时间和空间问题的思考也不只是哲学家所专有的事情。在科学层次上，科学家们也在不断地探索时间和空间的属性，法国科学家彭加勒认为时间和空间都不是先天的，而是为了某种目的约定的。爱因斯坦相对论时空观主要革新了牛顿的绝对时空观，因此重点介绍一下牛顿的绝对时间观和绝对空间观。

（二）牛顿的绝对时空观

牛顿站在巨人的肩膀上，综合了哥白尼和伽利略等人的科学成就，建立了牛顿经典力学体系，并且给他的经典力学理论引入了绝对时间和绝对空间的概念，创立了绝对时间观和绝对空间观。

牛顿为何要引入绝对时间和绝对空间的概念？我们又该如何理解牛顿所定义的绝对时间和绝对空间，想要弄清这些问题就要从牛顿所建立的经典力学说起了。物体的运动状态及其改变是经典力学讨论的主要对象，而万事万物的运动又都离不开时间和空间，都要在一定的时间和空间中进行。[3] 一切运动都是物体本身位置的变化，这样看来位置就用到了空间的含义，变化则用到了速度，也就是用到了时间的含义，所以牛顿的经典力学体系必定要与一定的时间和空间相联系。然而，描述机械运动又必然不能离开参照系，但是并不是所有的参照系都适用于牛顿定律，我们常常把适用于牛顿定律的参照系称之为惯性参照系。那么惯性参照系到底是什么呢，牛顿经典力学本身的理论框架也不能对此给出确切的说明。因此，为了解决这个问题，牛顿便引入了绝对时间和绝对空间的概念。牛顿在其著作《自然哲学的数学原理》中写道：“绝对的、真正的和数学的时间，就其本身和本性来说，均匀地流逝而与任何外在的情况无关。”“绝对空间，就其本性来说，与任何外在的情况无关，始终保持着相似和不变。”[4] 这里的时间，我们可以形象地把它比拟成永远流逝着的水，也可以把它想象成一根无限延长的线，无论哪样，它都与周围的任何环境无关；而这里的空间，我们也可以把它形象地比拟成一个与任何特殊物质无关的、能够容纳万事万物的、静止的大容器。

牛顿把自己定义的这样的时间和空间称为绝对时间和绝对空间，由此便形成了牛顿的绝对时间观和绝对空间观。对于牛顿绝对时空观的基本思想，主要有下列三个方面。

1.同时性是绝对的

在牛顿的绝对时空观中，同时性是绝对的、无条件的，也就是说，在不同地方发生的两件事情，如果对一个惯性参照系来说是同时发生的，那么无论对其它任何惯性参照系来说必定都是同时发生的。所以，对准过的两个钟表，不管把它们放在任何不同的地方，无论它们是否有相对运动产生，钟表总是同步的。在这个方面上，牛顿的绝对时空观似乎是符合我们的生活经验的。

2.时间是绝对的，空间也是绝对的

在这里，时间是绝对的指的是时间间隔的绝对性。也就是说，如果一个房间的时钟走了十分钟，那么世界上任何时钟都走了十分钟，无论它们在何种运动状态下。而空间也是绝对的指的是空间距离的绝对性。比如说，一根笔的长度，当以某一个参照系测量它是十厘米时，那么从别的参照系测量它时，它也是十厘米，而与参照系的运动状态无关。

3.时间和空间是各自独立，互不相关的并且与物质及其运动无关

按照牛顿绝对时间和绝对空间的观点，时间和空间各不相关，而且时间和空间是脱离物质运动而存在的，时间和空间具有绝对性，这也就是说，时间和空间只是单独的存在，这种存在不受周围任何事物的影响。

牛顿的绝对时间观和绝对空间观是符合我们的生活经验的，并且适用于当时的科学实验，因而人们很容易理解和接受这种观点。随着科学的进步，到19世纪末，麦克斯韦电磁理论发展起来，牛顿的绝对时空观显现出它自身的局限性，牛顿绝对时空观只适用于物体在宏观低速下的运动规律，而对于在微观高速下的运动则无能为力。正是在这种背景下，发生了现代物理学革命，相对论出现在人们眼前。爱因斯坦相对论革新了牛顿的时空理论，创建了新的时空学说。

二、爱因斯坦相对论对时空观的变革

历史上每一次新的时空理论的产生总是离不开科学的发展。19世纪末，当时的物理学界普遍认为物理学的大厦已经落成，正在他们展望物理学的美好前景时，物理学晴朗的天空上却被两朵乌云所笼罩，即“以太漂移的零结果”和“黑体辐射”。由此爆发了现代物理学革命，诞生了相对论和量子力学。爱因斯坦曾说“相对论同时间和空间的理论有密切的关系”[5]。爱因斯坦相对论研究的是关于时间、空间和物质、运动之间的内在联系，由狭义相对论和广义相对论组成。而新的时空观正是以相对论为理论依据的，它认为时间和空间相互影响，彼此不可分离，形成一个四维时空统一体，时间和空间受物质及其运动的影响。从某些方面来说，新的时空理论也就是爱因斯坦的相对论，正是狭义相对论告诉了人们时间和空间与物质运动的密切关系，而广义相对论又进一步告诉了人们时间和空间的性质与物质本身的存在及其分布密不可分。[6]

（一） 狭义相对论对时空理论的革新

自从光的波动说复活以来，物理学家们开始对“以太”问题进行激烈的探讨，后来著名的迈克尔逊—莫雷实验的零结果彻底否定了“以太”的存在，但是这种结果却使更多的物理学家困惑不解。为了更好的解决迈克尔逊—莫雷实验的困惑，1905年，爱因斯坦发表《论运动物体的电动力学》一文，放弃了牛顿的绝对时间和绝对空间概念，提出了光速不变原理和相对性原理这两个基本前提假设，宣告了狭义相对论的诞生，从而形成了新的爱因斯坦时空观。

为了更好的理解爱因斯坦狭义相对论对时空观作了哪些方面的革新，也就是爱因斯坦新的时空观是怎样的，我们首先要来说明一下光速不变原理和相对性原理，因为这两个原理是狭义相对论得以成立的基本前提假设。光速不变原理，指的是不论光的观察者运动与否，光速在真空中都是一样的、不变的，即都是一个常数c；相对性原理，指的是自然规律在所有惯性参照系中，都是一样的、不变的。[7] 只要抛弃牛顿绝对时间的概念，这两条基本原理就能够彼此相容，这样两个惯性参照系之间的时间和空间变换就满足洛仑兹变换。爱因斯坦狭义相对论对时空理论的革新以及爱因斯坦时空的重要性质就包含在这个变换中，主要有下列三个方面。

1.同时性是相对的

依照光速不变原理，狭义相对论认为不同地方的两件事情，在某一惯性参照系中来看，它们是同时发生的，然而相对于这一惯性参照系运动的其它任一惯性参照系来看，它们就不是同时发生的。因而同时性是相对的，时间与物质运动有关。这里需要注意的是，如果发生在同一个地点或者说是同一个点的两个事件，其同时性就是绝对的，与参照系的运动和选择无关。

2. 时间是相对的，空间也是相对的

与牛顿的时空理论不同，爱因斯坦狭义相对论的时空观认为时间间隔是相对的，也就是说，某一个过程中延续的时间在不同的惯性参照系中所测量的结果是不一样的，这是由同时性是相对的自然而然推导出的结果。最能说明这一点的便是大家熟知的运动的时钟会变慢，即时间延缓效应，它主要说的是对于每一位观察者来说，都有他们自己的时间测度，如果在天空中有一个高速飞驰的时钟，那么它对于地面上静止不动的观察者而言，钟的时间走的慢了，并且时钟飞驰运动得速度越快，钟的时间走得就越慢，这就反映了时间是相对的。

空间也不是牛顿时空理论中所认为的那样是绝对的，空间也是相对的，长度的相对性就证明了空间是相对的。也就是说，同样的一把尺子，根据所选择的惯性参照系，它们的长度是不一样的。假如A尺子是运动的，速度近于光速时，那么B尺子就会看到A尺子缩短了。[8] 这就是著名的运动的尺子要缩短，即空间收缩效应。这个效应表示空间的大小是相对的。

这两个时间和空间效应都是相对论的一种效应，它主要归结于时间和空间所具有的基本属性，这与牛顿的绝对时空观是不同的。但是这些效应又是很难被日常生活中的我们所理解的，因为这些效应都是在速度接近光速的高速运动过程中产生的，而我们通常生活在低速运动中。

3. 时间和空间是紧密相联的，并且与物质运动密不可分

在牛顿绝对时空观中，时间均匀流逝，不受任何外在环境影响，空间则是个与任何事物无关的、静止不动的容器。而爱因斯坦狭义相对论的时空学说认为时间和空间不能各自独立存在，时间与空间是紧密联系的。一个物体的长宽高表明它的空间，可却是以时间为尺度的；太阳所在位置的不同则表明时间的不同。时间和空间与物质运动更是不可分开的，时间和空间的性质要通过物质运动表现出来。时间和空间是运动着的物质的存在方式，时间是物质运动的连续，空间则是物质运动的延伸。离开物质运动而独立存在的时间和空间是毫无意义的。

（二）广义相对论对时空理论的革新

爱因斯坦狭义相对论的创建，引发了时空理论的变革，但他随之发现这种狭义相对论时空观与牛顿的万有引力定律是不相容的，于是，他又开始研究引力问题。1916年，爱因斯坦以惯性质量与引力质量相等为基础，提出了著名的等效原理和广义协变原理，创立了广义相对论。广义相对论把引力看成一个弯曲的时空，而不再把引力看成是一种力。等效原理和广义协变原理构成了广义相对论的主要内容，等效原理说的是，一个运动在含有引力场的惯性系中和在加速度系统中是完全相同的，即存在引力场的惯性系等效于加速度的非惯性系；广义协变原理是把相对性原理从惯性系推广到了非惯性系，即在任何参照系中，自然界的规律都是相同的，与我们所选择的参照系无关。

依据广义相对论，空间是一个服从黎曼几何的弯曲空间，空间弯曲的程度取决于物质本身在空间的分布。物质分布越密集的地方，引力场的强度就越大，时空弯曲得也就越厉害。因而，广义相对论告诉人们，时间和空间的性质与物质本身的分布也是紧密相关的。“物质告诉时空怎样弯曲，时空告诉物质怎样运动”[9]。时间和空间与物质息息相关，时间、空间和物质构成了一个有机整体。这就是广义相对论对时空理论所作的进一步变革。

总之，爱因斯坦相对论革新了旧的牛顿力学的时空观，建立起了爱因斯坦相对论的时空观，是时空理论上的一次史无前例的巨大变革。正是爱因斯坦相对论改变了人们以往对时间和空间的理解。狭义相对论只适用于惯性系，它的时空背景是欧几里得的平直时空，狭义相对论的时空观使人们认识到时空都不是绝对的而是相对的，时空不能脱离彼此而独立存在，时空和物质运动也是密不可分的；而广义相对论则适用于一切参考系，它的时空背景是黎曼几何的弯曲空间，广义相对论的时空观使人们进一步认识到时间和空间的性质还与物质本身的分布有关，物质告诉时空怎样弯曲，时空告诉物质怎样运动，从而说明了时间—空间与物质的统一性。无论怎样，爱因斯坦相对论所引起的时空观变革都产生了深远的影响，都具有无可比拟的意义。

三、爱因斯坦相对论变革时空观的意义

19世纪末20世纪初，在物理学史上，那是一个既光明又黑暗的时期，但就是这样的一个时期，却发生了一场影响深远的现代物理学革命，诞生了相对论和量子力学，使之成为了一个激动人心的年代。[10] 爱因斯坦相对论对时空理论所作的变革无论是在当时还是在日后，都对科学和哲学产生了不可磨灭的影响，意义巨大。

（一）在科学上，推动了物理学和科学技术的发展

时空观的变革与科学尤其是物理学的发展是相辅相成的，物理学的发展推动了人们对时间和空间性质的认识，而每一次时空理论的新变革又都是物理学进一步发展的基本前提和主要标志。爱因斯坦相对论对时空观所作的变革无疑是巨大的，它推进了现代物理学革命，为现代物理学的发展奠定了理论基石，从而推动了科学技术的发展。[11] 可以说，爱因斯坦相对论时空观的出现是世纪之交中的创举之一。

在爱因斯坦狭义相对论时空观中，不仅否定了牛顿经典力学体系中关于时间和空间的概念及其之间的关系，还赋予了质量和能量及其之间的关系以全新的含义。质量并不是绝对不变的，物体在运动速度近于光速时，质量就会接近无穷大；质能关系式则告诉人们质量和能量也不是单独存在的，而是一个质能统一体，质量守恒定律与能量守恒定律是融合在一起的，这就为原子核物理学的发展和应用开辟了新天地。爱因斯坦广义相对论时空观使人们开始对宇宙时空产生了浓厚的兴趣，是人们关于天文学中时空理论的一次大变革。所有这些变革都毫无疑问的促进了自然科学的发展。

（二）在哲学上，丰富和发展了辩证唯物主义时空观

爱因斯坦相对论对时空理论的变革不只是对物理学和科学有重大意义，并且在哲学方面也具有无法比拟的影响，可以说，爱因斯坦相对论时空观本身就具有哲学的意味。

爱因斯坦相对论时空观认为时间和空间之间是互相关联的，时间和空间作为客观存在是绝对的，但同时又是相对的。物质本身以及物质运动与时间和空间是不可分割的，离开任意一方谈论彼此都是没有意义的。这就说明了时间、空间和物质三者之间存在的联系，揭示了时空是运动着的物质的存在方式，改变了人们以往对时空与物质关系的认识，从而有力的批判了机械唯物主义中把时间和空间与物质及其运动割裂开来的形而上学时空观。[12] 爱因斯坦相对论对时空观的变革进一步丰富和发展了辩证唯物主义时空观。

爱因斯坦相对论对时空观的变革还提高了人们的认识能力，使人们的思维方式发生了深刻的变化。爱因斯坦曾说：“世界上可能只有12个人能够看懂相对论，但是世界上却有几十亿人借此明白没有什么是绝对的”[13]。从此人们开始认识到：对于同样的一个事物，如果不同的人从不同的角度来看，就会产生不同的结果，任何事物都不是绝对的。所以我们要用相对的眼光来看问题，而不能用绝对的眼光来看问题。世界上任何事物都不是绝对存在的，它们都是相对存在的。“长”相对于“短”而存在，“大”则是相对于“小”而言的。因此，我们不能再用牛顿绝对时空观中的机械思维来思考问题，而要以爱因斯坦相对论时空观所揭示的哲学思维来思考问题。

综上所述，通过对爱因斯坦相对论变革时空观的思考，我们不难发现，无论是在科学上，还是在哲学上，爱因斯坦相对时空观都有巨大的推动作用，它对人类社会产生了深远的影响。正是爱因斯坦相对论对时空观的变革将我们带入了一个不一样的时空世界，这个世界不再是牛顿所描述的绝对时间和绝对空间的世界，在这里我们要学会用更加开放的思维和眼光来看待它。爱因斯坦相对论时空观取代旧的牛顿时空观，不管是在科学上还是哲学上都是时空理论的一次巨大的变革。然而，任何事物都不是绝对的，当然也就不存在绝对真理，随着科学的不断发展进步，不久的将来一定会产生新的时空观，使时空世界更加绚丽多彩。（作者单位：1. 天津大学；2. 河北北方学院艺术学院）

参考文献：

[1]亚里士多德，张竹明/译.物理学[M].北京：商务印书馆，1982.30.

[2]邹敏.爱因斯坦时空观的哲学探索[D].华中科技大学，2008.

[3]爱因斯坦（美），杨润殷/译.狭义与广义相对论浅说[M].北京：北京大学出版社，2006.17.

[4]牛顿，王克迪/译.自然哲学的数学原理[M].陕西：陕西人民出版社，2001.13.

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[8]郑庆璋，崔世治.相对论与时空[M].山西：山西科学技术出版社，2005.21.

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[10]李醒民.激动人心的年代[M].北京：中国人民大学出版社，2009.40-45.

[11]关小蓉.时空观的三次变革及其产生的影响[J].玉林师专学报（自然科学版），1998， （03）：44-47.