狭义相对论的创立:
爱因斯坦
早在16岁时,爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快速度前进的电磁波,与此相联系,他非常想探讨与光波有关的所谓以太的问题。以太这个名词源于希腊,用以代表组成天上物体的基本元素。17世纪的笛卡尔和其后的克里斯蒂安·惠更斯首创并发展了以太学说,认为以太就是光波传播的媒介,它充满了包括真空在内的全部空间,并能渗透到物质中。与以太说不同,牛顿提出了光的微粒说。牛顿认为,发光体发射出的是以直线运动的微粒粒子流,粒子流冲击视网膜就引起视觉。18世纪牛顿的微粒说占了上风,19世纪,却是波动说占了绝对优势。以太的学说也大大发展:波的传播需要媒质,光在真空中传播的媒质就是以太,也叫光以太。与此同时,电磁学得到了蓬勃发展,经过麦克斯韦、赫兹等人的努力,形成了成熟的电磁现象的动力学理论——电动力学,并从理论与实践上证明光就是一定频率范围内的电磁波,从而统一了光的波动理论与电磁理论。以太不仅是光波的载体,也成了电磁场的载体。直到19世纪末,人们企图寻找以太,然而从未在实验中发现以太,相反,迈克耳逊莫雷实验却发现以太不太可能存在。
电磁学的发展最初也是纳入牛顿力学的框架,但在解释运动物体的电磁过程时却发现,与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致。按照麦克斯韦理论,真空中电磁波的速度,也就是光的速度是一个恒量;然而按照牛顿力学的速度加法原理,不同惯性系的光速不同。例如,两辆汽车,一辆向你驶近,一辆驶离。你看到前一辆车的灯光向你靠近,后一辆车的灯光远离。根据伽利略理论,向你驶来的车将发出速度大于c(真空光速30x10^8m/s)的光,即前车的光的速度=光速+车速;而驶离车的光速小于c,即后车光的速度=光速-车速。但按照这两种光的速度相同,因为在麦克斯韦的理论中,车的速度有无并不影响光的传播,说白了不管车子怎样,光速等于c。麦克斯韦与伽利略关于速度的说法明显相悖!
爱因斯坦似乎就是那个将构建崭新的物理学大厦的人。爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论,特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的,但是有一个问题使他不安,这就是绝对参照系以太的存在。他阅读了许多著作发现,所有人试图证明以太存在的试验都是失败的。经过研究爱因斯坦发现,除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外,以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义。
爱因斯坦喜欢阅读哲学著作,并从哲学中吸收思想营养,他相信世界的统一性和逻辑的一致性。在“奥林匹亚科学院”时期大卫·休谟(DavidHume)对因果律的普遍有效性产生的怀疑,对爱因斯坦产生了影响。[1] 相对性原理已经在力学中被广泛证明,却在电动力学中却无法成立,对于物理学这两个理论体系在逻辑上的不一致,爱因斯坦提出了怀疑。他认为,相对论原理应该普遍成立,因此电磁理论对于各个惯性系应该具有同样的形式,但在这里出现了光速的问题。光速是不变的量还是可变的量,成为相对性原理是否普遍成立的首要问题。当时的物理学家一般都相信以太,也就是相信存在着绝对参照系,这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。19世纪末,马赫在所著的《发展中的力学》中,批判了牛顿的绝对时空观,这给爱因斯坦留下了深刻的印象。1905年5月的一天,爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题,贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法,两人讨论了很久。突然,爱因斯坦领悟到了什么,回到家经过反复思考,终于想明白了问题。第二天,他又来到贝索家,说:谢谢你,我的问题解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事:时间没有绝对的定义,时间与光信号的速度有一种不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙,经过五个星期的努力工作,爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。
1905年6月30日,德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》,在同年9月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章,它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。狭义相对论所根据的是两条原理:相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦解决问题的出发点,是他坚信相对性原理。伽利略最早阐明过相对性原理的思想,但他没有对时间和空间给出过明确的定义。牛顿建立力学体系时也讲了相对性思想,但又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动,在这个问题上他是矛盾的。而爱因斯坦大大发展了相对性原理,在他看来,根本不存在绝对静止的空间,同样不存在绝对同一的时间,所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。对于任何一个参照系和坐标系,都只有属于这个参照系和坐标系的空间和时间。
世界著名的物理学家爱因斯坦
对于一切惯性系,运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律,它们的形式都是相同的,这就是相对性原理,严格地说是狭义的相对性原理。在这篇文章中,爱因斯坦没有讨论将光速不变作为基本原理的根据,他提出光速不变是一个大胆的假设,是从电磁理论和相对性原理的要求而提出来的。这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果,他从同时的相对性这一点作为突破口,建立了全新的时间和空间理论,并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式,以太不再是必要的,以太漂流是不存在的。
什么是同时性的相对性?不同地方的两个事件我们何以知道它是同时发生的呢?一般来说,我们会通过信号来确认。为了得知异地事件的同时性我们就得知道信号的传递速度,但如何测出这一速度呢?我们必须测出两地的空间距离以及信号传递所需的时间,空间距离的测量很简单,麻烦在于测量时间,我们必须假定两地各有一只已经对好了的钟,从两个钟的读数可以知道信号传播的时间。但我们如何知道异地的钟对好了呢?答案是还需要一种信号。这个信号能否将钟对好?如果按照先前的思路,它又需要一种新信号,这样无穷后退,异地的同时性实际上无法确认。不过有一点是明确的,同时性必与一种信号相联系,否则我们说这两件事同时发生是无意义的。
光信号可能是用来对时钟最合适的信号,但光速非无限大,这样就产生一个新奇的结论,对于静止的观察者同时的两件事,对于运动的观察者就不是同时的。我们设想一个高速运行的列车,它的速度接近光速。列车通过站台时,甲站在站台上,有两道闪电在甲眼前闪过,一道在火车前端,一道在后端,并在火车两端及平台的相应部位留下痕迹,通过测量,甲与列车两端的间距相等,得出的结论是,甲是同时看到两道闪电的。因此对甲来说,收到的两个光信号在同一时间间隔内传播同样的距离,并同时到达他所在位置,这两起事件必然在同一时间发生,它们是同时的。但对于在列车内部正中央的乙,情况则不同,因为乙与高速运行的列车一同运动,因此他会先截取向着他传播的前端信号,然后收到从后端传来的光信号。对乙来说,这两起事件是不同时的。也就是说,同时性不是绝对的,而取决于观察者的运动状态。这一结论否定了牛顿力学中引以为基础的绝对时间和绝对空间框架。
相对论认为,光速在所有惯性参考系中不变,它是物体运动的最大速度。由于相对论效应,运动物体的长度会变短,运动物体的时间膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题,运动速度都是很低的(与光速相比),看不出相对论效应。
爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学,指出质量随着速度的增加而增加,当速度接近光速时,质量趋于无穷大。他并且给出了著名的质能关系式:E=mc^2,质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用。
广义相对论的建立:
1905年,爱因斯坦发表了关于狭义相对论的第一篇文章后(即《论动体的电动力学》),并没有立即引起很大的反响。但是德国物理学的权威人士普朗克注意到了他的文章,认为爱因斯坦的工作可以与哥白尼相媲美,正是由于普朗克的推动,相对论很快成为人们研究和讨论的课题,爱因斯坦也受到了学术界的注意。
1907年,爱因斯坦听从友人的建议,提交了那篇著名的论文申请联邦工业大学的编外讲师职位,但得到的答复是论文无法理解。虽然在德国物理学界爱因斯坦已经很有名气,但在瑞士,他却得不到一个大学的教职,许多有名望的人开始为他鸣不平,1908年,爱因斯坦终于得到了编外讲师的职位,并在第二年当上了副教授。1912年,爱因斯坦当上了教授,1913年,应普朗克之邀担任新成立的威廉皇帝物理研究所所长和柏林大学教授。
在此期间,爱因斯坦在考虑将已经建立的相对论推广,对于他来说,有两个问题使他不安。第一个是引力问题,狭义相对论对于力学、热力学和电动力学的物理规律是正确的,但是它不能解释引力问题。牛顿的引力理论是超距的,两个物体之间的引力作用在瞬间传递,即以无穷大的速度传递,这与相对论依据的场的观点和极限的光速冲突。第二个是非惯性系问题,狭义相对论与以前的物理学规律一样,都只适用于惯性系。但事实上却很难找到真正的惯性系。从逻辑上说,一切自然规律不应该局限于惯性系,必须考虑非惯性系。狭义相对论很难解释所谓的双生子佯谬,该佯谬说的是,有一对孪生兄弟,哥在宇宙飞船上以接近光速的速度做宇宙航行,根据相对论效应,高速运动的时钟变慢,等哥哥回来,弟弟已经变得很老了,因为地球上已经经历了几十年。而按照相对性原理,飞船相对于地球高速运动,地球相对于飞船也高速运动,弟弟看哥哥变年轻了,哥哥看弟弟也应该年轻了。这个问题简直没法回答。实际上,狭义相对论只处理匀速直线运动,而哥哥要回来必须经过一个变速运动过程,这是相对论无法处理的。正在人们忙于理解相对狭义相对论时,爱因斯坦正在接受完成广义相对论。
5岁的爱因斯坦和3岁的妹妹(3张)
1907年,爱因斯坦撰写了关于狭义相对论的长篇文章《关于相对性原理和由此得出的结论》,在这篇文章中爱因斯坦第一次提到了等效原理,此后,爱因斯坦关于等效原理的思想又不断发展。他以惯性质量和引力质量成正比的自然规律作为等效原理的根据,提出在无限小的体积中均匀的引力场完全可以代替加速运动的参照系。爱因斯坦并且提出了封闭箱的说法:在一封闭箱中的观察者,不管用什么方法也无法确定他究竟是静止于一个引力场中,还是处在没有引力场却在作加速运动的空间中,这是解释等效原理最常用的说法,而惯性质量与引力质量相等是等效原理一个自然的推论。
1915年11月,爱因斯坦先后向普鲁士科学院提交了四篇论文,在这四篇论文中,他提出了新的看法,证明了水星近日点的进动,并给出了正确的引力场方程。至此,广义相对论的基本问题都解决了,广义相对论诞生了。1916年,爱因斯坦完成了长篇论文《广义相对论的基础》,在这篇文章中,爱因斯坦首先将以前适用于惯性系的相对论称为狭义相对论,将只对于惯性系物理规律同样成立的原理称为狭义相对性原理,并进一步表述了广义相对性原理:物理学的定律必须对于无论哪种方式运动着的参照系都成立。
爱因斯坦的广义相对论认为,由于有物质的存在,空间和时间会发生弯曲,而引力场实际上是一个弯曲的时空。爱因斯坦用太阳引力使空间弯曲的理论,很好地解释了水星近日点进动中一直无法解释的43秒。广义相对论的第二大预言是引力红移,即在强引力场中光谱向红端移动,20年代,天文学家在天文观测中证实了这一点。广义相对论的第三大预言是引力场使光线偏转,最靠近地球的大引力场是太阳引力场,爱因斯坦预言,遥远的星光如果掠过太阳表面将会发生一点七秒的偏转。1919年,在英国天文学家爱丁顿的鼓动下,英国派出了两支远征队分赴两地观察日全食,经过认真的研究得出最后的结论是:星光在太阳附近的确发生了一点七秒的偏转。英国皇家学会和皇家天文学会正式宣读了观测报告,确认广义相对论的结论是正确的。会上,著名物理学家、皇家学会会长汤姆孙说:“这是自从牛顿时代以来所取得的关于万有引力理论的最重大的成果”,“爱因斯坦的相对论是人类思想最伟大的成果之一”。爱因斯坦成了新闻人物,他在1916年写了一本通俗介绍相对论的书《狭义与广义相对论浅说》,到1922年已经再版了40次,还被译成了十几种文字,广为流传。
相对论的意义:
狭义相对论和广义相对论建立以来,已经过去了很长时间,它经受住了实践和历史的考验,是人们普遍承认的真理。相对论对于现代物理学的发展和现代人类思想的发展都有巨大的影响。相对论从逻辑思想上统一了经典物理学,使经典物理学成为一个完美的科学体系。狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系,指出它们都服从狭义相对性原理,都是对洛伦兹变换协变的,牛顿力学只不过是物体在低速运动下很好的近似规律。广义相对论又在广义协变的基础上,通过等效原理,建立了局域惯性长与普遍参照系数之间的关系,得到了所有物理规律的广义协变形式,并建立了广义协变的引力理论,而牛顿引力理论只是它的一级近似。这就从根本上解决了以前物理学只限于惯性系的问题,从逻辑上得到了合理的安排。相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念,给出了科学而系统的时空观和物质观,从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系。
狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律,并提示了质量与能量相当,给出了质能关系式。这两项成果对低速运动的宏观物体并不明显,但在研究微观粒子时却显示了极端的重要性。因为微观粒子的运动速度一般都比较快,有的接近甚至达到光速,所以粒子的物理学离不开相对论。质能关系式不仅为量子理论的建立和发展创造了必要的条件,而且为原子核物理学的发展和应用提供了根据。
对于爱因斯坦引入的这些全新的概念,当时地球上大部分物理学家,其中包括相对论变换关系的奠基人洛仑兹,都觉得难以接受。甚至有人说“当时全世界只有两个半人懂相对论”。旧的思想方法的障碍,使这一新的物理理论直到一代人之后才为广大物理学家所熟悉,就连瑞典皇家科学院,1922年把诺贝尔物理学奖授予爱因斯坦时,也只是说“由于他对理论物理学的贡献,更由于他发现了光电效应的定律。”对爱因斯坦的诺贝尔物理学奖颁奖辞中竟然对于爱因斯坦的相对论只字未提。(注:相对论没有获诺贝尔奖,一个重要原因就是还缺乏大量事实验证。)[8]
光电效应
1905年,爱因斯坦提出光子假设,成功解释了光电效应,因此获得1921年诺贝尔物理奖。
光照射到金属上,引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应(Photoelectriceffect)。
光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面,又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部,称为内光电效应。
赫兹于1887年发现光电效应,爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应(金属表面在光辐照作用下发射电子的效应,发射出来的电子叫做光电子)。光波长小于某一临界值时方能发射电子,即极限波长,对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料,而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关,这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾,即光电效应的瞬时性,按波动性理论,如果入射光较弱,照射的时间要长一些,金属中的电子才能积累住足够的能量,飞出金属表面。可事实是,只要光的频率高于金属的极限频率,光的亮度无论强弱,光子的产生都几乎是瞬时的,不超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。
光电效应里,电子的射出方向不是完全定向的,只是大部分都垂直于金属表面射出,与光照方向无关,光是电磁波,但是光是高频震荡的正交电磁场,振幅很小,不会对电子射出方向产生影响。
能量守恒
E=mc²,物质不灭定律,说的是物质的质量不灭;能量守恒定律,说的是物质的能量守恒。
虽然这两条伟大的定律相继被人们发现了,但是人们以为这是两个风马牛不相关的定律,各自说明了不同的自然规律。甚至有人以为,物质不灭定律是一条化学定律,能量守恒定律是一条物理定律,它们分属于不同的科学范畴。
爱因斯坦认为,物质的质量是惯性的量度,能量是运动的量度;能量与质量并不是彼此孤立的,而是互相联系的,不可分割的。物体质量的改变,会使能量发生相应的改变;而物体能量的改变,也会使质量发生相应的改变。
在狭义相对论中,爱因斯坦提出了著名的质能公式:E=mc^2(这里的E代表能量,m代表多少质量,c代表光的速度,近似值为3×10^8m/s,这说明能量可以用减少质量的方法创造)。
爱因斯坦的质能关系公式,正确地解释了各种原子核反应:就拿氦4(He4)来说,它的原子核是由2个质子和2个中子组成的。照理,氦4原子核的质量就等于2个质子和2个中子质量之和。实际上,这样的算术并不成立,氦核的质量比2个质子、2个中子质量之和少了00302u(原子质量单位)!这是为什么呢?因为当2个氘[dao]核(每个氘核都含有1个质子、1个中子)聚合成1个氦4原子核时,释放出大量的原子能。生成1克氦4原子时,大约放出27×10^12焦耳的原子能。正因为这样,氦4原子核的质量减少了。
这个例子生动地说明:在2个氘原子核聚合成1个氦4原子核时,似乎质量并不守恒,也就是氦4原子核的质量并不等于2个氘核质量之和。然而,用质能关系公式计算,氦4原子核失去的质量,恰巧等于因反应时释放出原子能而减少的质量。
爱因斯坦从更新的高度,阐明了物质不灭定律和能量守恒定律的实质,指出了两条定律之间的密切关系,使人类对大自然的认识又深了一步。
宇宙常数
爱因斯坦在提出相对论的时候,曾将宇宙常数(为了解释物质密度不为零的静态宇宙的存在,他在引力场方程中引进一个与度规张量成比例的项,用符号Λ表示。该比例常数很小,在银河系尺度范围可忽略不计。只在宇宙尺度下,Λ才可能有意义,所以叫作宇宙常数。即所谓的反引力的固定数值)代入他的方程。他认为,有一种反引力,能与引力平衡,促使宇宙有限而静态。当哈勃将膨胀宇宙的天文观测结果展示给爱因斯坦看时,爱因斯坦说:“这是我一生所犯下的最大错误。”
宇宙是膨胀着的。哈勃等认为,反引力是不存在的,由于星系间的引力,促使膨胀速度越来越慢。星系间有一种扭旋的力,促使宇宙不断膨胀,即暗能量。70亿年前,它们“战胜”了暗物质,成为宇宙的主宰。最新研究表明,按质量成份(只算实质量,不算虚物质)计算,暗物质和暗能量约占宇宙96%。看来,宇宙将不断加速膨胀,直至解体死亡。(也有其它说法,争议不休)。宇宙常数虽存在,但反引力的值远超过引力。林德饶有风趣的说:“我终于明白,为什么他(爱因斯坦)这么喜欢这个理论,多年后依然研究宇宙常数,宇宙常数依然是当今物理学最大的疑问之一。”有人说,班主任是世界上最小的主任;也有人说,班主任是学校里最苦的岗位。班主任工作非常繁琐,却又极其重要。在我看来,有几分劳累,更多的是收获,在一次次心灵的历练中,在对孩子们的真情付出中,带着一颗童心,陪伴他们成长,我辛苦并快乐着。
班主任是一门艺术,只要用心,创造出的不仅是高山流水的乐曲、永恒美丽的蒙娜丽莎,更是塑造出影响孩子一生的性情与人格。
一、爱心队的成长
爱心和责任心不是靠说教出来的,也不是靠长篇大论的文章理论出来的,而是需要在孩子们点滴的行为中内化为品质。
开学时,同学们看到刚进校的一些小同学拿不动东西很无助,还有不熟悉学校的新同学,很孤单地站在一边,于是就生出了帮助他们的想法。我在设置班内职务时,除了桌长、椅长、电长等职务,还有一个特殊职位:“爱心志愿者”吸引了大家,我说这个岗位是专门为有爱心的同学设置的,用自己的爱心行动为别人带来帮助,将是一件快乐的事。开学典礼时,王校长让孩子们走上讲台,向全校同学介绍了这支队伍,每个同学都说出了自己的心愿。
爱心队的队长实行轮流制,定期召开例会,评选优秀队员。
转眼,爱心队成立近两个月了,当他们挂着鲜红的爱心牌穿梭于校园时,骄傲与自豪全写在脸上,一些耐不住的同学已经开始打探如何才能加入。孩子的热情,往往很难持久,要继续深入持久地走下去,就离不开老师们的鼓励。
今天“101达滴达”童话故事班要迎接参观的老师和同学,队员们已经是第二次应易老师之邀为他们班的小朋友打扫卫生。回来时,队长何玮扬着红扑扑的脸跑到办公室,把一个小塑料袋放在办公桌上,急切地说:“老师,这是王校长奖给我们爱心队的,是五个小蛋糕,这怎么分啊?”我一看,故作惊喜道:“真的啊!是王校长奖的?来,让我想想,放在这儿我等会拿到班上去吧!”
夕会时,我提着袋子走进教室,“同学们,这是什么啊?”“是蛋糕!”“不全对。这是爱心队的奖品,也是王校长的鼓励,是我们班的荣誉。这个荣誉我想不光是我们爱心队的队员,这是王校长奖给我们602爱心班的,它是有特别的味道的,所以我们要一起来分享,等会来说一说。”
五个小蛋糕,散发着诱人的芳香,映红了孩子们兴奋的脸庞,带来了无限的温情与鼓励,滋养了那一颗颗善良而纯真的心灵。相信,多年以后,他们还记得,有八个孩子曾一起分食一个拳头大的蛋糕,一起分享爱心付出的幸福。
表扬与激励需要多角度、多方位,班主任应该利用一切可利用的资源,不断强化孩子们的正确做法,激励孩子们的劲头,促进孩子们不断发展和成长。
二、将错就错的颠倒课堂
当我热情洋溢地讲完一个环保小故事,切入正题,转身在黑板上写下课题“14 大瀑布的葬礼”。
“老师,你写错了。”一个爱插嘴的同学嘀咕着,其他人也开始附和,我迷惑了,拿起他们的书一看,原来我的版本落后了,突然,我有了一个主意:
“这样吧,同学们,老师的这一课没有,不如你们好好利用资料自学,按照老师的教学方式来准备一下,晚上来给我当老师,好吗?”“好!”同学们响亮地回答。
晚自习到了,教室里灯光明亮,课桌摆得整整齐齐,白板上出示着鹿和狼的,两位老师站在了讲台上,同学们端端正正地朗读着课文。坐在教室后面的椅子上,我也俨然一位学生。
“同学们,在你们心目中,鹿是什么样的形象,狼又是什么样的角色呢?”,小老师板书下了内容:可爱——凶残。为了保护可爱的小鹿,美国的一位总统就曾下令大量捕杀狼,同学们读了课文,知道了最后的结局怎么样呢?
开局不错。更不错的是下面的学生,他们个个精神集中,一提出问题便踊跃举手,分小组读书和讨论时也是毫不懈怠。“到底谁是森林的守护者,我们人应该怎么做呢?”一双双小手又举了起来。
“铃——”不知不觉,一节课到了,而课文的学习也进入最后中心的提炼。同学们意犹未尽,对着我的镜头还在认真学习着,最后还来了个大团圆的集体照。上课的同学下来感叹,当老师好辛苦啊!要站,要说,要想,课前还要准备好多东西。这下好了,还让他们体会了一下老师劳动的艰辛。
学生给学生上课,竟然收到了如此好的课堂效果,授课的学生也觉得这次经历刻苦铭心,听课的同学更是精神抖擞,这引发了我的一点思考:一是这样上课打破了老师上课的紧张氛围,感觉很新鲜;二是有老师在下面听,肯定也得像平常一样认真学;三是同学当老师没有压力,回答问题,说错了也没关系。
六年级的学生,除了要牢固地掌握书本知识外,更重要的是学会学习,这是我一贯的理念,教授学习方法,培养自学习惯,而学生授课,则是一个检验成果的好机会。许多同学也跃跃欲试,想争取下一次当老师。
放手给孩子,也是教育的一种有效方式。课堂交给你,可爱的孩子们,你们会学到更多,不仅是知识。
三、实施创意作业之后
一到周五,同学们的心就飞了,从早上开始,笑容就洋溢在脸上,一副回家心切的模样。到了下午,大包小包的东西放在桌面,听着各科老师布置的作业,心不在焉地记上几笔。
当奔出校门之后,学习的事自然被抛在了脑后。也难怪这些孩子,五天三点一线的寄宿生活,也就盼着这两天周末出去活动一下。周日的收心晚自习,也是让我这个班主任最头疼的。作业一项项地统计,总有三分之一的同学没完成好,字迹潦草,胡乱应付,好多还是返校之后拿着别人的作业补上的。哎!这样的周末作业除了让老师失望,影响心情之外,别无效果。
既然无效果的事,就没必要做。于是我开始反思布置的作业内容。什么样的作业喜欢做呢?找几个同学来问问看。你们回家都干些什么啊?秦利华说,看电视,再就是看看书,或者跟姐姐出去转转。刘立说,要上两个补习班,根本就没有时间玩,最喜欢看电视里的动物节目。也是电视,好了,找到一个共同点了。
电视也是学生获取知识的一个途径啊!很多优秀的电视节目,如《科技之光》《人与自然》《新闻联播》《焦点访谈》《百家讲坛》等。不如就从这里入手。我把周末作业从课本知识的巩固复习转变到课外知识的获取和能力的培养,开发出了这些作业:看《新闻联播》,快速记录并整理成文;看《焦点访谈》,写一段自己的想法;看《百家讲坛》,把听到看到的知识记录下来;看动物有关的节目,整理出一种动物的特性。除此之外,还有与家长交流的作业:请你把本单元的四篇课文用讲故事的形式讲给家长听;与家长交流学校发生的一件趣事或一项活动。还有培养学生主动性的作业:设计你的期末复习计划和方法,并列出各科的考试目标……当我把这些创意作业实施之后,设想着会是什么样的结果呢?
也许是飞信的力量,这些作业得到了家长们的大力支持,三分之二的同学很好地完成了,如新闻联播的记录。成绩好的吴梓建在整理成文时,开头一段说:“我收看了某某某和某某某主持的新闻节目,发现这样的规律,先是预告所有内容,然后分别讲述;先是国内新闻,然后是国外新闻,最后是简讯。”最后一段说:“通过这些国家大事,我发现我们的经济发展正进入高速发展期,国家越来越强大,也非常注重与周边国家的互访,与国际接轨,我要学习更多的知识,将来为建设国家贡献力量。”有收看,有记录,有思考。其他内容也不同程度地看到了同学们主动学习的劲头。
当然也有部分同学因为留校,或是基础能力差,依然完成不好,对这样的同学,我就采取了分层作业,安排一些课本知识巩固的作业给他们。所谓因材施教,每个孩子的能力、特长、基础都不同,将来的社会分工也不同,就让他们更好地掌握基础吧。
同学们在新奇地适应这样的作业形式,同时也收到了家长的鼓励,张雨鑫的妈妈说:“张老师,看电视的作业真好,孩子觉得新鲜,还培养了多方面的能力,注意力、快速记录能力、文字整理能力等,拓宽了视野,更重要的是培养了他们通过电视学习的习惯。”得到了支持,太好了。
班主任,是一个班级的领航人,是孩子成长的灯塔和方向,不仅要有高尚的人格吸引,还要有高超的教学艺术和领导才能,做一个童心、真情、智慧的班主任,在琐碎的工作中演绎出教育的艺术,我在一步步靠近自己的梦想。
(责任编辑 付田田)下面是中达咨询给大家带来关于建筑结构火灾后的检测与加固的相关内容,以供参考。
建筑物遭受火灾后,除查明起火原因外,还必须对建筑物的受损程序进行详细检查。弄清火灾规模的大小和范围,建筑物受损部位和受损程度,根据火场各处温度,分析失火时和失火后结构的状况,对结构受损程度提出正确评估,以便确定建筑物的修复加固方案,保证结构的安全,本文分析了火灾对建筑结构造成损害的机理和破坏作用。介绍了钢筋混凝土建筑结构火灾后的鉴定和检测方法,以及不同火灾损害情况建筑结构加固和修复的方法步骤。
引言:纵观世界各国火灾发生规律建筑火灾一般要占火灾总数的60%左右,而居住建筑火灾在建筑火灾中所占比例则更高,就此类火灾而言建筑结构均遭到不同程度的损害,有的需要简单修复或需要进行加固,有的则需要拆掉重建。目前,由于国际建筑结构灾害工程学刚刚起步,现行建筑结构火灾后的检测与加固工作尚不规范,而在消防监督工作实践中经常要接触到类似情况,本文粗浅的介绍目前通用的建筑结构火灾后的检测与加固方法和程序。
1火灾对建筑结构损害的机理和破坏作用
对建筑结构实施科学的检测和加固,首先必须了解火灾对建筑结构造成损害的机理和破坏作用。混凝土是以水泥为胶凝材料,加粗骨料(石子)、细骨料(砂)、掺和料、外加剂等用水和,硬化而成的人工石。它在火作用下的机理可归纳为以下三个方面:第一,表面受火处温度升高比内部快,内外温差引起混凝土开裂。火灾时,混凝土中各种水分迅速汽化,体积明显膨胀,冲破障碍迅速逃逸,导致强度下降;第二,水泥石受热分解,使胶体的粘结力破坏,出现裂缝,表面发毛、起砂、呈蜂窝状、出现龟裂、边角溃散脱落等现象;第三,骨料和水泥石间的热不相容,水泥石受拉,骨料受压,导致应力集中和微裂缝的开展。破坏的程度取决于温度升高的速率、最高温度和火作用持续的时间:当温度低于500℃时,浇水冷却的混凝土强度低于自然冷却后的强度,而高于600℃时,浇水冷却后的强度高于自然冷却后的强度火对钢材的主要影响,表现在原子热振动加剧并扩散产生软化,到一定程度后可抵消硬化的影响。高温时,原子间的结合力也有所降低从而增加滑移变形,减少了抗滑能力。在1400℃时,钢筋进人液态,失去了抵抗荷载的能力。火灾时,钢筋与混凝土间的粘结强度随温度升高呈下降趋势,且对光圆钢筋的影响比螺纹钢筋更为突出。火灾对砌体的作用由砖块材质和砂浆性能决定,砂浆的d性模量比砖的d性模量小,热膨胀比砖大,因而在高温受压时产生比砖块更大的横向变形。
2建筑结构的灾后检测
建筑结构加固前的检测十分重要,它可以避免加固中的盲目性。但是,通过检测所作的鉴定只能大概地确定结构的现状。为此,鉴定检测工作必须尽可能多的调查、实测资料,以便对结构的现状作出较客观的判断。鉴定工作包括资料收集、现状的检测、抗力的验算和加固的建议。
21资料的收集即对建筑物的情况详细地进行调查,包括建筑结构图纸、建造年代、上部结构概况、基础结构及地质资料、荷载状况、施工概况等。
22现状的检测具体到建筑结构材料的检测,主要有:
221回d法:用回d仪d击混凝土表面,由反射面的硬度决定回d值。在混凝土表面存在石子、水泥石和水泥胶体,当水泥标号较高时,水泥石强度高,回d值也高,混凝土强度也高。
222拉拔法:通过专门的工具锚人混凝土中,通过抗压强度推算抗拉强度以评定其质量。
223超声法:在正常混凝土中d性模量与强度有稳定的关系,超声波通过发射、接收装置测出波速,波速可以通过材料d性模量进而评定其强度。
224钻进法:在恒压下用等速冲击钻钻入混凝土表面,由钻进速度确定混凝土的内在质量。
225岩芯取样法:是一种较好的强度测量方法,但取芯太小影响测量,取芯太大易加大损害。
226动力法:通过激振或脉冲动测出结构的动力特性,由频率可以确定d性模量,进而评定其强度:
227现场结构加载试验:是一种费用较高的检测方法,一般要加到超过设计荷载的5%~10%,但要小于极限荷载,否则易引起结构损坏。
228敲击法:回d法和钻芯法是基本的检测方法,可以定量地测出混凝土的强度变化数值。由于这两种方法的检测点有限,而结构各部位的火灾温度相差很大,且没有规律,所以当测得数据后,在具体确定加固范围、加固深度时,又往往采用敲击法验证。混凝土抗压强度与敲击后的状况见。
上述方法,由于检测工具、 *** 作方法等原因,检测结果往往有较大差异,需要采用“综合评定”和“对比评定”的方法来提高检测效率和可靠性。
发生火灾后,首先应由业主会同消防、设计、质检等部门对建筑物受损情况进行调查及检测,主要内容应包括:火灾温度,结构材料性能,受损结构外观及变形情况等见。
23抗力的验算
对现有结构的抗力进行验算,以确定加固的水平:
231结构材料的现有强度,火灾后要考虑材料的强度折减和沿截面分布。
232结构现有的实际刚度这对确定超静定结构的弯矩分布至关重要。
233混凝土结构以实际配筋按规范验算抗力和提供允许荷载值用混凝土加固砌体结构时,按砌体规范验算其抗力。
234当结构无法测定其配筋时,可根据现有荷载及结构裂缝和变形状况进行抗力验算各项资料及检测数据收集齐全后,才能根据加固要求、结构现状的可能性、施工场地及条件、材料供应的可能性等,作出鉴定结论提出一个或几个方案,从而进行加固设计。
3建筑结构的加固和修复
31火灾损害大致可以分为下列几类:①轻度损害:在局部范围内的表面损害,边沿剥落和产生裂缝;②中度损害:结构部件没有塑性变形,但有严重的截面损害以及钢筋强度降低;③在单个建筑部件和结构范围中的严重损害:承重构件部分或完全失去作用,但不致倒塌;④化学损害:目前最重要的情况是聚氯乙烯燃烧气体对混凝土结构的侵蚀。
32受损构件的修复加固
321基本原则
修复加固设计应简单易行、安全可靠、经济合理;要注意被加固构件的节点构造和施工方法,保证加固部分与原结构共同工作并考虑加固对建筑物总体应力变化的影响。
在确定方案时有两种倾向值得注意:
(l)掉以轻心。认为火灾后构件并未完全丧失承载力,未考虑火灾隐患对构件长期使用的影响,不予认真处理。
(2)过于保守。任意加大处理范围,任意决定“打掉重建”。其实,“打掉重建”有时是不安全的,比如连续梁,随意打掉某一跨就会对相邻跨的内力分布产生不利影响。
322确保施工质量
由于修复加固的构造及施工方法与正常建设时不同,故必须强调精心施工,确保质量。如某一框架梁用“加大截面法”修复加固,要求在原构件表面外包5cm左右一层混凝土,施工难度较大,需采用专门的施工设备和工艺,如用小直径振捣棒振捣或用人工插捣等。
33结构加固方法
331各种结构加固方法的原则是,铲除损坏的混凝土,必要时加钢筋来保证结构部件具有完全的承载力,按照需要的尺寸用相应的混凝土给截面复原,加固可采用置换、绕丝、粘钢和粘玻璃钢等方式。对于不影响结构部件的承载能力的轻度损害,只要铲除松弛的混凝土部分,再进行填补,作好混凝土表面,以保证钢筋不受锈蚀。火灾区混凝土在受热后因水泥石收缩变形而产生的内应力和由于火灾升温、降温阶段的温度分布不均匀所产生的温度应力等,使其烧伤区内微观结构发生一系列的变化,导致混凝l土内部出现微细裂缝,降低混凝土强度,增大其三塑性变形。为确定混凝土被破坏的程度,采用超J声脉冲法进行了烧伤深度的检测,采用拔出法辅以钻取混凝土芯样,对梁、柱混凝土强度进行检测。对于能够造成结构承载能力降低的中度损害,应小心地铲去损害的混凝土层。这种混凝土层从火烧的颜色即可看出,不必对其强度作精确的调查,而火烧颜色因混凝土组成和达到的温度不同而不同。一般来说,受损的混凝土呈储红色存留的混凝土表面最好利用喷砂清洗干净并弄粗糙如果钢筋强度降低,需要置放附加钢筋。最后用相应强度的新混凝土给截面复原。新、旧混凝土之间必须有良好结合,钢筋必须有良好结合,并且握裹力强另外采用粘结钢和玻璃钢结合的方法有很大的优越性,根据结构部件的不同。大多采用喷射混凝土或者模板浇注。严重损害应该根据现场情况个别处理,常常需要局部加固或拆掉重建,上述原则也可以在这类情况下酌情处理:
332各类建筑部件的加固有不同的特点。
3321柱子的加固一般是采用安放圈套进行的,圈套尺寸的选择应保证能有足够地方放置附加钢筋,并能顺利浇灌混凝土:圈套大都做成模板,柱子较高时可分节制作加固时小亡谨慎地铲去全部受损松弛的混凝土,保证柱子中不留内部裂缝,必要时采取加支架等安全措施。柱子的加固还应按照应力要求放置附加钢筋,要采用细钢筋做箍筋,布置密度要大。
3322梁,尤其是板梁大多总是在下侧被烧损,即火灾损害主要在受拉区。由于混凝土层剥落,常使钢筋外露,加固时应加必要的附加钢筋。在铲除松弛受损的混凝土层后,再将附加筋放置到梁上,保证附加钢筋的良好锚接:另外在梁上应优先采用喷射混凝土。在板上可能有两种情况:一是混凝土覆盖层不能保持住;二是下面的钢筋可能外露,在一些地方混凝土与钢筋之间不存在任何联接。这两种情况下都应高度注意钢筋的强度,要配置足够的附加钢筋。对砌体等其它建筑构件的加固也应按类似的方法进行。
3323在一些贮存聚氯乙烯塑料制品及大量采用高分子材料装修的火灾现场,当温度120oC时,聚氯乙烯便分解,同时分离出气态盐酸,盐酸同灭火扑救的消防水蒸气混合形成盐酸雾,凝结在钢筋混凝土结构上,氯化物对钢筋产生化学损害,使结构强度降低。对此种损害的加固除通过机械铲除进行修复外,近些年来,经常采取“石灰修复法”,这种方法是在不出现结构火灾损害情况下,将石灰糊浆一层一层地涂施在清除了炭黑和脏污的混凝上表面上,在石灰糊干燥时,把化学腐蚀物质氯化物吸出,然后随干燥的石灰层一同除去,这样可以将残留的氯化物含量降低到极限值以下,从而提高结构强度。
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