- Преподавателю
- Физика
- Урок физики в 10 классе по теме: «Основные положения специальной теории относительности. Скорость света в вакууме. »
Урок физики в 10 классе по теме: «Основные положения специальной теории относительности. Скорость света в вакууме. »
Раздел | Физика |
Класс | 10 класс |
Тип | Конспекты |
Автор | Субботина В.А. |
Дата | 27.12.2015 |
Формат | doc |
Изображения | Есть |
Урок физики
в 10 классе
по теме: «Основные положения
специальной теории относительности.
Скорость света в вакууме.»
Учитель физики ДОШ №2
Субботина В.А.
2014 г.
Урок № 32
Цели урока:
-
Предпосылки создания теории относительности. Пояснение её содержания, постулатов специальной теории относительности Эйнштейна. Понимание закона сложения скоростей в релятивистской механике.
-
Продолжать формировать абстрактное логическое мышление учеников.
-
Воспитывать уважение к трудам великих учёных.
Оборудование: таблица "Относительность движения в классической механике".
Тип урока: усвоение новых знаний.
План урока:
-
Организационный момент.
-
Мотивация учебной деятельности.
-
Сообщение темы, цели и задач урока.
-
Восприятие и первичное осмысливание нового материала.
-
Закрепление нового материала.
-
Подведение итогов урока.
-
Домашнее задание.
Конспект урока.
-
Организационный момент:
В рабочих тетрадях записывается дата, тема урока.
-
Мотивация учебной деятельности.
Учитель поясняет, ученики слушают:
До сих пор мы изучали лишь основы классической физики. Ещё не настало XX столетие, а уже были сформулированы законы сохранения и превращения энергии, всемирного тяготения, законы динамики, электродинамики, газовые законы, открыто явление электролиза, термоэлектронной эмиссии, фотоэффекта, радиоактивности, сверхпроводимости, электромагнитной индукции. Внедрено в повседневную жизнь и изучено электромагнитное поле, изобретены индукционные генераторы, электродвигатели постоянного и переменного тока, радиоприёмники и радиопередатчики и многое, многое другое. Успехи классической физики были настолько значимы, что казалось, "дом" науки Физики построен, и осталось немного его доделать. Этим незначительным были проблемы, связанные со строением атома, явлением радиоактивности и излучения. Кроме того, механика Ньютона не согласовывалась с классической электродинамикой Максвелла. Классическая физика не могла объяснить этих явлений, которые на границе XIX - XX ст. вызвали непонимание ученых. Для этого нужны были более совершенные и глубокие теории. В начале XX ст. возникла современная физика, изучением основ которой мы займемся в ближайшее время.
-
Сообщение целей и задач урока:
Учитель предлагает ученикам ознакомиться с планом изучения темы, записанным на доске. Потом просит учеников самостоятельно сформулировать цель урока и по необходимости вносит коррективы в их ответы.
План изучения темы:
-
-
Источники и основы теории относительности.
-
Постулаты теории относительности.
-
Релятивистский закон сложения скоростей.
-
-
Восприятие и первичное осмысливание нового материала:
-
Источники и основы теории относительности:
-
По принципу относительности классической механики, сформулированному Галилеем, все инерциальные системы отсчёта в механике (ИСО), равноправны. Поэтому равномерное и прямолинейное движение системы не оказывает никакого влияния на протекание механических процессов в ней.
После того, как во второй половине XIX ст. Максвеллом были сформулированы основные законы электродинамики, встал вопрос, распространяется ли принцип относительности, справедливый в механике, на электромагнитные явления. Другими словами, одинаково ли протекают электромагнитные процессы во всех ИСО? Но ответ на этот вопрос обнаружил ряд противоречий между классической электродинамикой и ньютоновской механикой. Так, по законам электродинамики скорость электромагнитных волн в вакууме одинакова по всем направлениям и равна:
Но согласно ньютоновской механике скорость может равняться только в выбранной системе отсчёта. В какой-либо другой, движущейся со скоростью ИСО, скорость света должна равняться . А это означает, что при переходе из одной к другой ИСО законы электродинамики должны изменяться так, чтобы в новой системе отсчёта скорость света уже была не , а .
Противоречия, возникшие между теориями, пытались преодолеть тремя способами:
-
Огласить несостоятельным принцип относительности для электромагнитных явлений;
-
Объявить неправильными уравнения Максвелла и изменить их так, чтобы они не изменялись при переходе от одной к другой ИСО;
-
Отказаться от классических представлений о пространстве и времени для того, чтобы сохранить как принцип относительности, так и законы Максвелла.
Первые два пути, как выяснилось, противоречили эксперименту. Единственно правильным оказался третий путь. Все противоречия были блестяще решены 26-летним Альбертом Эйнштейном, который издал небольшую, всего на 30 страниц, работу под названием "К электродинамике движущихся сред". Она за короткий срок вызвала настоящую революцию в физике, вывела её из глухого угла и обогатила идеями, практическое значение которых безгранично. В ней Эйнштейн без единого нового эксперимента, проанализировав и обобщив уже известные экспериментальные факты, впервые изложил идеи новой теории относительности.
Ученики записывают в тетрадь определение:
Теория относительности - это физическая теория, которая описывает свойства пространства и времени, а также закономерности относительности движения тел, обусловленные этими свойствами.
Ученикам предлагается подготовить дома к следующему уроку сообщение "Альберт Эйнштейн. Биографический очерк."
-
Постулаты теории относительности.
Теория относительности Эйнштейна складывается из двух частей: специальной и общей теории относительности. В 1905 г. учёный предложил основные идеи специальной теории относительности, в которой рассматриваются свойства пространства и времени, справедливые для условий, когда можно пренебречь притяжением тел, то есть считать их гравитационное взаимодействие очень маленьким. Принципы общей теории относительности были выдвинуты через 10 лет, в 1915 г. Эта теория рассматривала свойства пространства и времени в сильных гравитационных полях.
В основу специальной теории относительности (СТО) положены два постулата (утверждения, которые принимают за истинные в рамках данной научной теории без доказательств):
Ученики записывают формулировку постулатов в тетради:
-
Первый постулат, или принцип относительности: Все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Все физические, химические, биологические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета.
-
Второй постулат, или принцип постоянства скорости света: Скорость света в вакууме постоянна и абсолютна, то есть одинакова по отношению к любым инерциальным системам отсчёта.
Анализируя первый постулат, мы видим, что он расширил рамки принципа относительности Галилея, применив его к любым физическим явлениям, в том числе и электромагнитным.
Анализируя второй постулат, можно утверждать, что скорость света не зависит ни от движения источника света, ни от приёмника. Ни один материальный объект не может двигаться со скоростью, большей скорости света в вакууме.
Но второй постулат будет противоречить первому, если применить к электромагнитным явлениям не только принцип относительности Галилея, но и галилеево правило сложения скоростей, которое следует из правила преобразования координат и независимости времени от ИСО. То есть преобразование Галилея для координат, а также его правило сложения скоростей к электромагнитным явлениям применять нельзя.
-
Релятивистский закон сложения скоростей.
Определение и закон сложения скоростей записываются и зарисовывается в конспекты:
Релятивистская механика - это раздел теоретической физики, рассматривающий классические законы движения тел (частиц) со скоростями движения , сравнимыми со скоростью света.
Новым релятивистским представлением о пространстве и времени соответствует новый закон сложения скоростей. Очевидно, что классический закон сложения скоростей не может быть справедливым, ибо он противоречит утверждению о постоянстве скорости света.
З
апишем закон сложения скоростей для конкретного случая, когда тело движется вдоль оси Ox1 системы отсчёта К1, которая в свою очередь движется со скоростью относительно системы К (см. рис. 1). При этом во время движения координатные оси Ox и Ox1 всё время совпадают, а оси Oy и Oy1 остаются параллельными, - скорость тела в системе К, - скорость тела в системе К1.
Релятивистский закон сложения скоростей:
.
Если <<c и <<c, то членом в знаменателе можно пренебречь, и мы получаем классический закон сложения скоростей:
.
Свойством релятивистского закона сложения скоростей является то, что при любых скоростях и (конечно, меньших c) результирующая скорость не превышает c.
-
Закрепление нового материала. Фронтальный опрос:
-
Какие научные противоречия привели к созданию теории относительности?
-
Дайте определение теории относительности.
-
Сформулируйте постулаты теории относительности и проанализируйте их.
-
Чем отличается принцип относительности Эйнштейна от принципа относительности Галилея?
-
Чем закон сложения скоростей в классической механике отличается от закона сложения скоростей в релятивистской механике?
-
-
Подведение итогов урока:
Учитель рекомендует ученикам найти "ключевые слова" по теме.
Предполагаемые ответы учеников: теория относительности - специальная и общая, постулаты, скорость света, законы сложения скоростей - классический и релятивистский, инерциальная система отсчёта и т.д.
-
Домашнее задание: записывается в дневниках и на доске:
Учить §36 и конспект.