План-конспект урока по теме Следствия и СТО Эйнштейна

МОУ СОШ «Перспектива г.о. Власиха Московской области 2013г, учитель физики Г.А.Меркулова

Тема урока: «Некоторые следствия из постулатов СТО Эйнштейна»

Цель:

• Образовательная: повторить принцип относительности Галилея и основные положения электродинамики Максвелла; напомнить учащимся содержание таких понятий, как «тело отсчета», «система отсчета», инерциальная система отсчета; раскрыть содержание постулатов специальной теории относительности и научить учащихся применять их для доказательства следствий специальной теории относительности.

• Воспитательная: продолжить формирование познавательного интереса учащихся; в целях интернационального воспитания обратить внимание учащихся, что физика развивается благодаря работам ученых различных стран и исторических времен; продолжить формирование стремления к глубокому усвоения теоретических знаний через решение задач.

• Развивающая: активизация мыслительной деятельности (способом сопоставления), формирование алгоритмического мышления; развитие умений сравнивать, выявлять закономерности, обобщать, логически мыслить; научить применять полученные знания в нестандартных ситуациях для решения графических и аналитических задач.

Ход урока:

1. Актуализация знаний (мотивационный этап)

Результаты социологического опроса, проводившегося среди учеников МОУ СОШ «Перспектива», представляет ученица11б класса Телегина Елена.

1. Разбиваем класс на две команды: одна знатоки Ньютона, другая - Эйнштейна. Задание заключается в том, что бы сообщать факты о времени и пространстве, массе, размерах тела, скорости передачи взаимодействий.

Ньютон

(классическая механика)

Эйнштейн

(релятивистская)

Законы Ньютона не меняются при переходе от одной ИСО к другой

Все процессы в природе протекают одинаково во всех ИСО.

Мгновенная скорость передачи взаимодействий

Скорость света занимает особое положение. Существует максимально возможная скорость передачи взаимодействий в природе - скорость света в вакууме.

Время абсолютно и протекает одинаково во всех СО.

Одновременность пространственно разделенных событий относительна.

Два события одновременные для жителей Земли, одновременны для жителей любой космической цивилизации.

Масса тела относительна.

Размеры тела не меняется при переходе из одной СО в другую, не зависит от его скорости движения.

Размеры тела относительны.

Масса не меняется при переходе из одной СО в другую, не зависит от скорости движения тела.

2. Объяснение парадокса с двумя сферическими поверхностями.

3. Решение домашней задачи с потерянным веслом. Второй способ решения данной задачи через другую СО («Вода»). Вывод о важности выбора «удобной», с точки зрения физики, СО.

Был этот мир глубокой тьмой окутан,

«Да будет свет!»- и вот явился Ньютон.

Но сатана недолго ждал реванша

Пришел Эйнштейн - и стало все как раньше!

С именем Эйнштейна связано очень много историй, рассказов, анекдотов. Вообще, я думаю несправедливо изучать какой-либо закон или теорию и ничего не знать об авторе, тем более о таком неординарном человеке, как Альберт Эйнштейн. Ребятам было дано задание не просто представить сухие факты биографии ученого, выраженные в цифрах и населенных пунктах, а нарисовать необычный портрет необычного человека.

Первый вопрос: назовите черты характера этого выдающегося, ученого, мыслителя.

Ученики: упорство, воля, дух независимости и свобода, удивление самому себе, умение жить в согласии со своей совестью, неряха, любовь к музыке, детская непосредственность, страстное любопытство, способность ясно и точно формулировать свои мысли, исключительная способность сосредоточиться, научный инстинкт, философские воззрения, пацифизм.

Второй вопрос: назовите факторы, которые повлияли на формирование мировоззрения.

Ученики: Любовь к скрипичной музыке А. Моцарта. Научился играть на скрипке в 6 лет. Музыка помогала вызывать симпатию и сходиться с людьми. Однажды в Праге он должен был читать доклад, но вместо этого, к необычайной радости толпы, стал… играть на скрипке. В возрасте четырех лет Эйнштейн пережил настоящее чудо, когда отец показал ему компас. То, как вела себя его стрелка, не вписывалось в событийный ряд, в неосознанной форме являвший себя в мир понятий. Знакомство с евклидовой геометрией на плоскости. Книга по евклидовой геометрии запомнилась ясностью суждений и непреложностью доказательств. Эйнштейн писал: « Когда я спрашиваю себя, чем можно объяснить то, что именно я открыл теорию относительности, я думаю, что все дело заключается в следующем: нормальный взрослый человек не ставит перед собой проблему осмысления пространства и времени. Все, что, по его мнению, можно думать об этом, он пережил уже в детстве. Я же, напротив, развивался настолько медленно, что начал думать о пространстве и времени и изумляться этому, когда уже был взрослым человеком. Естественно, что я смог поникнуть в эту проблему глубже, чем обычный ребенок. Влияние семьи и друзей (его дядя и отец были владельцами электротехнической фабрики), тяга к самообразованию, талант вкупе с изобретательностью и упорством. Наконец, просто удача.

Но были и научные предпосылки возникновения теории относительности. Как известно, Альберт Эйнштейн работал в патентном бюро в Берне, туда регулярно поступали заявки на изобретения в области пространства-времени. Фактически, Эйнштейн буквально держал руку на пульсе своего времени. В конце 19 века был поставлен знаменитый опыт по обнаружению «эфирного ветра» американскими учеными Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли в Кливленде, в подвале лаборатории. Прибор был установлен на квадратной каменной плите, плавающей в жидкой ртути. Система зеркал направляла пучок света в определенном направлении, зеркала отражали пучок туда и обратно по одному направлению так, что он делал 8 пробегов. В то же время другая система зеркал посылала пучок в перпендикулярном направлении. Прибор медленно поворачивали и рассматривали интерференционные картины, образованные двумя потоками световых пучков. Ученые были поражены и разочарованы, интерференционные полосы не изменяли своего вида, следовательно, скорости световых пучков не зависели от эфирного ветра, а самого эфирного ветра (а значит и эфира) нет!

Третье задание: Веселые истории, анекдоты.

Ученики:

1. В начале научной карьеры Эйнштейна один журналист спросил госпожу Эйнштейн, что она думает о своем муже.

- Мой муж - гений! - сказала госпожа Эйнштейн. - Он умеет делать абсолютно все, кроме денег.

2. - Как Вы записываете свои великие мысли? - спросил журналист. - У Вас есть для этого блокнот или записная книжка?

Эйнштейн посмотрел на журналиста, стоявшего перед ним с записной книжкой, и сказал: - Милый мой… Настоящие мысли приходят в голову так редко, что их нетрудно и запомнить.

4. Альберт Эйнштейн любил фильмы Чарли Чаплина и относился с большой симпатией к созданному им герою. Однажды он написал в письме к Чаплину: «Ваш фильм «Золотая лихорадка» понятен всем в мире, и вы непременно станете великим человеком. Эйнштейн» На это Чаплин ответил: «Я восхищаюсь Вами еще больше. Вашу теорию относительности никто в мире не понимает, а Вы все-таки стали великим человеком. Чаплин».

Четвертое задание:

В честь Эйнштейна названы:

• Эйнштейний- единица энергии, применяемая в фотохимии.

• элемент №99 Эйнштейний в Периодической системе элементов Менделеева.

• астероид 2001 Эйнштейн.

• кратер на Луне.

• квазар Крест Эйнштейна.

• премия мира имени А. Эйнштейна.

• многочисленные улицы городов мира.

Посмертно Альберт Эйнштейн был награжден целым рядом отличий: В 1999 году журнал «Тайм» назвал Эйнштейна личностью века. 2005 год был объявлен ЮНЕСКО годом физики по случаю столетия «года чудес», увенчавшегося открытием специальной теории относительности Эйнштейна.

2. Новая тема

Мы настолько привыкли к свойствам окружающего пространства и времени, что даже не задумываемся над значением этих терминов. Сегодня мы попробуем дать определения и вспомнить некоторые свойства пространства и времени, совершим путешествие в теорию относительности, ее историю, попробуем определить ее место в жизни, а также в развитии современной науки.

Следствия СТО.

1. Относительность расстояний (релятивистское сокращение размеров тела в движущейся СО):

длина движущегося предмета сокращается в направлении движения.

(1)

l - длинна покоящегося тела;

l₀ - длинна движущегося тела;

υ - скорость его движения в данной СО.

(релятивистскими называются эффекты, наблюдаемые при скоростях движения, близких к скорости света)

Размеры предметов в направлении, перпендикулярном направлению движения, не изменяются.

Юшманов А. расскажет о парадоксе « Шеста и сарая».

2. Относительность промежутков времени: ход движущихся часов замедляется. (2)

τ₀ - интервал времени, измеренный часами, покоящимися в той СО, где оба события произошли в одной и той же точке пространства.

τ - интервал времени между двумя событиями, измеренный движущимися часами.

Время на космическом корабле, летящем с постоянной скоростью, протекает медленнее, чем на «неподвижной» Земле. Но космонавт никаким образом не может подметить эти изменения, т.к. и все процессы внутри корабля, которые могли бы служить мерилом измерения времени, замедлены в том же отношении. Биение сердца и все функции организма тоже происходят в замедленном темпе. Если скорость движения приближается к скорости света, то путешествие до туманности Андромеды займет 29 лет. Но по земным часам пройдет почти 3 миллиона лет.

Если υ<<с, то в формулах (1) и (2) можно пренебречь величиной υ²/с². Тогда l≈l₀ и τ≈ τ₀, т.е. релятивистское сокращение размеров тел и замедление времени в движущейся СО можно не учитывать.

Некур Т. расскажет о парадоксе близнецов.

3. Релятивистский закон сложения скоростей (направленных вдоль одной линии)

(3)

υ₁ - скорость тела в 1-й СО;

υ₂ - скорость тела во 2-й СО;

υ - скорость движения 1-й СО относительно 2-й.

При υ₁, υ<<с получаем υ₂= υ₁+ υ, т.е. закон сложения скоростей в классической механике.

Если υ=с (т.е. речь идет о распространении света), получаем υ₂=с, что соответствует второму постулату СТО.

III. Закрепление и применение полученных знаний для решения задач.

Задача №1

Посчитать, на сколько мы сможем замедлить время, если будем мчаться на космическом корабле со скоростью 0,8с? Сколько будет длиться урок, если на Земле он 40 минут?

Дано:

τ=40мин

υ=0,8с

СИ

2400с

τ₀ - ?Решение

Ответ: 24мин.

Задача №2

Сборник задач А.П.Рымкевич №1113

Какова масса протона, летящего со скоростью 2,4*10⁸ м/с. Массу покоя протона считать равной 1а.е.м. (1а.е.м.=1,66057*10^-27 кг)

4. Рефлексия

Закончить я предлагаю наше занятие синквейном. Задание необычное, но ведь и тема у нас не совсем обыкновенная…

Синквейн - это творческая работа, которая имеет короткую форму стихотворения, состоящего из пяти нерифмованных строк.

Синквейн - это не простое стихотворение, а стихотворение, написанное по следующим правилам:

1 строка - одно существительное, выражающее главную тему cинквейна;

2 строка - два прилагательных, выражающих главную мысль;

3 строка - три глагола, описывающие действия в рамках темы;

4 строка - фраза, несущая определенный смысл, отражающая идею синквейна;

5 строка - заключение в форме существительного - слово - синоним, сравнение, содержащее личностную оценку (ассоциация с первым словом).

Составлять cинквейн очень просто и интересно. И к тому же, работа над созданием синквейна развивает образное мышление.

Например,

Теория относительности.
Простая и непостижимая.
Объясняет, раскрывает, толкует.
Во Вселенной - мгновенье, на Земле - века.
Как волшебство.

Надеюсь, что наш урок не прошел даром, а знания, полученные на этом занятии, найдут свое продолжение в вашей жизни. Особенность нашего времени - чрезвычайно быстрое развитие науки. И я думаю, что вы обязательно станете свидетелями, а возможно, и участниками новых научных открытий, которые, возможно, будут иметь отношение к теории относительности.

Сенсация! (отрывок из TV новостей, ученые предполагают, что скорость распространения взаимодействий в природе может превышать скорость света в вакууме)

Подведение итогов занятия: анализ уровня активности учащихся, оценка знаний.

Продолжите фразы:
На занятии я
узнал…
понял…
научился…
не умел, а теперь умею…
на следующем занятии я хочу…

5. Домашнее задание:

§78, А.П.Рымкевич №1110, 1114.

7