Aprendizaje de la Teoría de la Relatividad Restringida de Einstein. Estado de la Cuestión

  1. Xabier Prado Orbán 1
  2. José Manuel Domínguez-Castiñeiras 1
  3. Iván Area 2
  4. Ángel Paredes 2
  5. Jorge Mira 1
  1. 1 Universidade de Santiago de Compostela
    info

    Universidade de Santiago de Compostela

    Santiago de Compostela, España

    ROR https://ror.org/030eybx10

  2. 2 Universidade de Vigo
    info

    Universidade de Vigo

    Vigo, España

    ROR https://ror.org/05rdf8595

Revista:
Revista Eureka sobre enseñanza y divulgación de las ciencias

ISSN: 1697-011X

Ano de publicación: 2020

Volume: 17

Número: 1

Páxinas: 1103

Tipo: Artigo

DOI: 10.25267/REV_EUREKA_ENSEN_DIVULG_CIENC.2020.V17.I1.1103 DIALNET GOOGLE SCHOLAR lock_openAcceso aberto editor

Outras publicacións en: Revista Eureka sobre enseñanza y divulgación de las ciencias

Resumo

In this article we analyze the learning difficulties of Einstein's Theory of Restricted Relativity. The information has been obtained and selected from the Web of Science, Scopus, Educational Resources Information Center and Google Scholar databases, taking into account the Journal Citation Reports (JCR), Scimago Journal Rank (SJR) and Composite Index of Secondary Dissemination (ICDS). For the analysis and the conclusions the learning difficulties of the students related to the Restricted Relativity of Einstein were established, with respect to the following concepts: Space and time. Causality and simultaneity. Reference frames. Energy. Mass. Light. This study has been the basis for the design of a teaching proposal based on the geometric formulation of Minkowski, aimed at high school students

€ Ver financiamento

Información de financiamento

X. P. y J. M. D. C. hacen constar que el presente trabajo se enmarca en los proyectos ESPIGA (PGC2018- 096581-B-C22) y EAMARE-STEAM (EDU2017-84979-R) y agradecen la financiación al fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER)/Agencia Estatal de Investigación del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades. I. A. agradece la ayuda de los proyectos ED431B 2018/57, de la Consellería de Educación, Universidad y Formación Profesional (Xunta de Galicia) y FIS2017-83762-P, del Ministerio de Economía, Industria y Competitividad. Á. P. agradece la ayuda de los proyectos MTM2016–75140–P, de la Agencia Estatal de Investigación, co-financiado por fondos FEDER, y R 2016/022, de la Xunta de Galicia.

Financiadores

Referencias bibliográficas

  • Alemañ, R. A. (1997) Errores comunes sobre relatividad entre los profesores de Enseñanza Secundaria. Enseñanza de las Ciencias, 15(3), 301-307. https://www.raco.cat/index.php/Ensenanza/article/view/21500
  • Alonso, M. (2000) Diagramas posición-tiempo para enseñar relatividad en el Bachillerato.Alambique. Didáctica de las Ciencias Experimentales. 22, 109-117. (Disponible en la Web de Materiales Didácticos de la Sección Local de Alicante) http://rsefalicante.umh.es/relatividad.htm
  • Alonso, M. y Soler, V. (2002) Reflexions sobre la forma habitual d’introduir els conceptes dela dinámica relativista en batxillerat. Actas de las Jornadas de enseñanza de las Ciencias de la AEFQ Curie. (Disponible en la Web de Materiales Didácticos de la Sección Local de Alicante) URL
  • Alonso, M. y Soler, V. (2006 a) La relatividad en el Bachillerato. Una propuesta de unidad didáctica. Enseñanza de las Ciencias, 24(3), 439-454. http://rsefalicante.umh.es/relatividad.htm
  • Alonso, M. y Soler, V. (2006 b) Materiales didácticos para enseñar y aprender relatividad en el Bachillerato. Alambique. Didáctica de las Ciencias Experimentales, 50, 106-115. https://www.grao.com/es/producto/materiales-didacticos-para-ensenar-y-aprender-relatividad-en-el-bachillerato-al05014507
  • Aslanides, J.S. y Savage, C.M. (2013) Relativity concept inventory: Development, analysis, and results. Physical Review Physics Education Research, 9(1), 010118 (1-10). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevSTPER.9.010118
  • Consello da Cultura Galega (2017) Verbo da teoría da relatividade restrinxida e xeral. Traducción dela obra original alemana Über die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie (Gemeinverständlich) de Albert Einstein (1916). Coordinador de la obra: Jorge Mira. Editorial: Consello da Cultura Galega. http://consellodacultura.gal/publicacion.php?id=4298
  • Corry, L. (1997) Hermann Minkowski and the postulate of relativity. Archive for History of Exact Sciences, 51(4), 273–314. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00518231
  • Díaz, A. D.; Herrera, W. J. y Manjarrés, D. A. (2009) Work and energy in inertial and noninertial reference frames. American Journal of Physics, 77(3), 270-273. DOI: https://doi.org/10.1119/1.3036418
  • Dib, C. (2013) Mass as a Form of Energy in a Simple Example. The Physics Teacher, 51(9), 546-548. URL: https://doi.org/10.1119/1.4830069
  • Doménech, A. (1998) El debate sobre la masa relativista: el problema definicional y otros aspectos epistemológicos. Enseñanza de las Ciencias, 16(2), 331-339. https://ddd.uab.cat/pub/edlc/02124521v16n2/02124521v16n2p331.pdf
  • Doménech, A.; Doménech, T.; Cassasus, M. y Bella, T. (1985) El espacio tiempo clásicos y el espacio tiempo de la relatividad especial. Enseñanza de las Ciencias, vol. extra, parte 2, p.72. http://www.raco.cat/index.php/Ensenanza/article/view/51964
  • Doménech, A.; Casasús, E. y Doménech, M.T. (1993) The classical concept of mass: theoretical difficulties and students' definitions. International Journal of Science Education,15(2), 163-173. DOI: https://doi.org/10.1080/0950069930150205
  • Drummond, I. T. y Hathrell, S. J. (1980) QED vacuum polarization in a background gravitational field and its effects on the velocity of photons. Physics Review, D22 (2),343-355. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.22.343
  • Fort, J. (2005) Energy conservation can predict intervals of time. Physics Education, 40(4), 321-322. DOI: https://doi.org/10.1088/0031-9120/40/4/F08
  • Galili, I. y Kaplan, D. (1997) Extending the application of the relativity principle: Some pedagogical advantages. American Journal of Physics, 65(4), 328-335. DOI: https://doi.org/10.1119/1.18541
  • Gil, D. y Solbes, J. (1993) The introdution of modern physics: overcoming a deformed vision of science. International Journal of Science Education, 15(3), 255-260. DOI: https://doi.org/10.1080/0950069930150303
  • Hartatiek, Y. y Dwi H. (2017) Effect of Tutorial Giving on the Topic of Special Theory of Relativity in Modern Physics Course Towards Students’ Problem-Solving Ability.Journal of Physics: Conference Series, 846(1), 1-7. http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/846/1/012030/pdf
  • Haug, E. G. (2017) The ultimate limits of the relativistic rocket equation. The Planck photon Rocket. Acta Astronautica 136, 144–147. http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/846/1/012030/pdf
  • Hecht, E. (2009) Einstein Never Approved of Relatistic Mass. The Physics Teacher, 47, 336-341. DOI: https://doi.org/10.1119/1.3204111
  • Hecht, E. (2011) How Einstein confirmed E0=mc2. American Journal of Physics, 79, 591-600. DOI: https://doi.org/10.1119/1.3549223
  • Hewson, P. W. (1982) A case study of conceptual change in special relativity: The influence of prior knowledge in learning. European Journal of Research in Science Education, 4(1), 61-78. DOI: https://doi.org/10.1080/0140528820040108
  • Hewson, P. W. (1990) La enseñanza de ‘Fuerza y Movimiento’ como cambio conceptual.Enseñanza de las Ciencias, 8(2), 157-171. https://ddd.uab.cat/record/50067
  • Hewson, P. W. y Thorley, N.R. (1989) The conditions of conceptual change in the classroom.International Journal of Science Education, 11 (special issue), 541-553. DOI: https://doi.org/10.1080/0950069890110506
  • Hobson, A. (2005) Teaching: mass without mass. The Physics Teacher, 43(2), 80-82. DOI: https://doi.org/10.1119/1.1855741
  • Hobson, A. (2006) Millikan Award Lecture, 2006: Physics For All. American Journal of Physics,74(12), 1048-1054. DOI: https://doi.org/10.1119/1.2353858
  • Kicilcik, H. S. y Ünlü Yavas, P. (2017) Investigating the Reasons of Difficulty Understanding of Students in Special Relativity Topics. Çukurova Üniversitesi Eğitim Fakültesi Dergisi,46(2), 399-426. DOI: https://doi.org/10.14812/cuefd.297883
  • Logunov A. A. (1998) Curso de Teoría de la Relatividad y de la gravitación. Moscú: Universidad Estatal de Lomonósov.
  • McDermott, L. C. (1993) How we teach and how students learn-A mismatch? American Journal of Physics, 61(4), 295-298. DOI: https://doi.org/10.1119/1.17258
  • Minkowski, H (2012) Espacio y tiempo. Documentos de Minkowski sobre la relatividad (versión gratuita). Traducido por Fritz Lewertoff y Vesselin Petkov. Editado por Vesselin Petkov. Quebec, Montreal, Canadá: Minkowski Institute Press. http://rgs.vniims.ru/books/spacetime.pdf
  • Naber, G. L. (2012) The geometry of Minkowski spacetime. An introduction to the mathematics oft he special theory of relativity. 2nd ed. (English). Berlin: Springer. https://www.springer.com/gp/book/9781441931023
  • Okun, L.B. (1989) The Concept of Mass. Physics Today, 42(6), 31-36. DOI: https://doi.org/10.1063/1.881171
  • Otero, M.; Arlego, M. y Prodanoff, F. (2016) Teaching the basic concepts of the Special Relativity in the secondary school in the framework of the Theory of Conceptual Fields of Vergnaud. Il Nuovo Cimento C, 38(3), 1-13. DOI: https://doi.org/10.1393/ncc/i2015-15108-0
  • Pérez, H. (2003) La teoría de la relatividad y su didáctica en el Bachillerato: análisis de dificultades y una propuesta de tratamiento. Tesis doctoral, Universitat de Valencia. https://www.tdx.cat/handle/10803/9633
  • Pérez, H. y Solbes, J. (2003) Algunos problemas en la enseñanza de la relatividad. Enseñanza de las Ciencias, 21(1), 135-146. http://www.raco.cat/index.php/Ensenanza/article/download/21900/21735
  • Pérez, H. y Solbes, J. (2006) Implicaciones de la evolución histórica de algunos conceptos en la enseñanza de la relatividad. Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias,3(3), 408-430.
  • Prado Orbán, X. y Domínguez-Castiñeiras, J.M. (2010) A Didactic Proposal for de Visual Teaching of the Theory of Relativity in High School First Course, pp. 297-305. En Taşar y G. Çakmakci (Eds.), Contemporary Science Education Research: Teaching. Pegem Akademi: Ankara, Turkey. ISBN: 9786053640301. https://scholar.google.com/scholar_url?url=http://www.academia.edu/download/3456239/THOUGHT_EXPERIMENTS_ATool_FOR_TEACHING_PHYSICS_THEORIES_IN_SECONDARY_EDUCATION_THE_CASE_OF_HEISENBERGS_MICROSCOPE.pdf%23page%3D311&hl=es&sa=T&oi=gsb-gga&ct=res&cd=0&ei=lqa1WsyJJZWBmAHAgpOgDw&scisig=AAGBfm11K8_KgQ10lWYupJy8ZcwmUOS7kQ
  • Prado Orbán, X. (2012) Deseño e implementación dunha proposta de ensinanza da relatividade especial en primeiro de bacharalato, baseada na formulación xeométrica de Minkowski. Universidade de Santiago de Compostela. Servicio de Publicacións e Intercambio Científico: Santiago de Compostela. https://minerva.usc.es/xmlui/handle/10347/3640
  • Prado, X.; Area, I.; Paredes, A.; Domínguez-Castiñeiras, J.M.; Edelstein, J.D. y Mira, J.(2018)Archimedes meets Einstein: a millennial geometric bridge. European Journal of Physics,39(4), 045802. DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6404/aab12c
  • Riggs, P. (2016) A Comparison of Kinetic Energy and Momentum in Special Relativity and Classical Mechanics. The Physics Teacher, 54(2), 80-82. DOI: https://doi.org/10.1119/1.4940169
  • Salart, D.; Baas, A.; Branciard, C.; Gisin, N. y Zbinden, H. (2008) Testing the speed of ‘spooky action at a distance’. Nature, 454(7206), 861- 864. DOI: https://doi.org/10.1038/nature07121
  • Scherr, E. R.; Shaffer, P. S. y Vokos, S. (2001) Student understanding of time in special relativity: Simultaneity and reference frames. American Journal of Physics, 69(7), 24-35. https://arxiv.org/abs/physics/0207109
  • Scherr, R. E.; Shaffer, P. S. y Vokos, S. (2002) The challenge of changing deeply held student beliefs about the relativity of simultaneity. American Journal of Physics, 70(12), 1238-1248. DOI: https://doi.org/10.1119/1.1509420
  • Serafin, K, y Glazek, S. (2017) Elementary example of energy and momentum of an extended physical system in special relativity. American Journal of Physics, 85(7), 529-541. https://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.4981770
  • Tanel, Z. (2014) Student Difficulties in Solving Problems Concerning Special Relativity and Possible Reasons for these Difficulties. Journal of Baltic Science Education, 13(4), 573-582. https://pdfs.semanticscholar.org/88e0/b73a0586bc7abfde5b520e4ae98e995da699.pdf
  • Taylor, J. L, (2001). Physics, Philosophy and the nature of space and time. Physics Education,36(3), 207-211. DOI: https://doi.org/10.1088/0031-9120/36/3/305
  • Taylor, E. F. y Wheeler, J. A. (1992) Spacetime Physics. Introduction to Special Relativity. New York: W. H. Freeman and co.
  • Tefft, B. J. y Tefft, J. A. (2007) Galilean Relativity and the Work-Kinetic Energy Theorem. The Physics Teacher, 45(4), 218-220. DOI: https://doi.org/10.1119/1.2715417
  • Toledo, B.; Arriasseco, I. y Santos, G. (1997) Análisis de la transición de la física clásica a la relativista desde la perspectiva del cambio conceptual. Enseñanza de las Ciencias, 15(1),79-80. https://www.raco.cat/index.php/ensenanza/article/viewFile/21479/93476
  • Tommasini, D.; Paredes, Á. y Michinel, H. (2019) Comment on “the ultimate limits of the relativistic rocket equation. The Planck photon rocket”. Acta Astronautica, 16 , 373-374. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0094576518317818
  • Villani, A. y Pacca, J. (1987) Students ́ Spontaneous Ideas about the Speed of Light.International Journal of Science Education, 9(1), 55-65. DOI: https://doi.org/10.1080/0950069870090107
  • Walter, S. (2008) Hermann Minkowski’s approach to physics. Mathematische Semesterberichte,55(2), 213-238. DOI: https://doi.org/10.1007/s00591-008-0044-4
  • Warren, J.W. (1976) The mystery of mass-energy. Physics Education, 11(1), 52-54. DOI: https://doi.org/10.1088/0031-9120/11/1/006
  • Whitaker, M. A. B. (1976) Definitions of mass in special relativity. Physics Education, 11(1), 55-57. DOi: https://doi.org/10.1088/0031-9120/11/1/007
Fonte de datos: Dialnet