計畫簡介
牛頓的運動定律是建立在絕對時間和絕對空間的假設上，也就是說時間不會因為觀測者所在的座標系不同而有所改變。1905年愛因斯坦提出狹義相對論，推翻了自古以來人們對於時間與空間互不影響的看法。他認為任何事件的時間座標會和空間座標一樣，都將依觀測者所在座標系統而改變。狹義相對論的基本假設是真空中的光速不變原理，並在此假設下推導出高速運動物體所產生的時間膨脹和長度收縮等現象。許多人對於狹義相對論的時空概念感到難以理解和想像，例如：在相對於時鐘是靜止的座標系所量到的時間或相對於觀察者是靜止的座標系所量到的長度有別於不同座標系的量測結果，以及不同座標系相對速度的轉換有別於客觀的物質運動規律，而這些現象卻又很難在接近光速的環境進行量測與驗證。虛擬實境透過人類感官來模擬微觀、巨觀或真實世界難以達到的情境，讓使用者可以和三度空間內的虛擬事物進行即時互動，因此很適合科學教育的應用。本研究以虛擬實境技術開發狹義相對論的時空模擬情境，讓學習者搭乘太空船以接近光速進行宇宙探險，親眼目睹「動尺縮短」、「動鐘變慢」等現象，並發現迎面而來的太空船只是以更接近光速(而非兩倍光速)前進。虛擬實境可將抽象的時空概念具體化與視覺化，讓使用者自行操控太空船速度，進而觀察不同座標系(太空船上與地球上)的時間與長度變化，對於狹義相對論時空概念的理解有很大幫助。本研究將透過教學實驗來探討虛擬實境應用於狹義相對論時空概念的學習成效、學習動機及使用者對系統的滿意度，以作為系統改進的依據。本計畫在系統開發完成後將透過推廣活動來達到科普化的目標，使學習者了解相對論並非遙不可及的知識，進而樂意主動學習近代物理的新觀念，並具備應用科技知識解決問題的能力。