Урок по физике на тему «Элементы теории относительности»

Тема: «Элементы теории относительности».

Урок по физике для 2 курса.

Цель: Обеспечить понимание учащимися основных физических идей релятивисткой теории: равноправия инерциальных систем и симметрии законов природы по отношению к выбору системы отсчета.

Задачи урока:

обучающая: пересмотреть классические представления о пространстве и времени. Доказать справедливость принципа относительности, применительно к электромагнитным явлениям. Опираясь на элементы СТО дать новые пространственно-временные представления.
воспитательная: приобретение учащимися навыков общения при совместной работе; активизация их творческого мышления; усиление личностной заинтересованности, привитие навыков самообразования и самовоспитания.
развивающая: формирование информационной культуры на основе стимулирования сознательного выбора средств для решения задач.

Оборудование: мультимедийная установка, диск «Курс физики 21 века», файл презентации (подготовлен учителем), карта маршрута.

План урока:

1. Постановка проблемной ситуации.

2. Актуализация знаний.

3. Ядро теории.

4. Политехнический компонент.

5. Рефлексия.

6. Итоги урока

Ход урока:

1. Вводная беседа (постановка проблемной ситуации)

Вам не кажется, что наш мир постарел? Где великие географические открытия, где подвиги во имя высоких идеалов и прекрасных дам? Крестоносцы отправлялись на поиски Святого Грааля за тысячи километров, в неизведанные страны, плохо представляя себе как эта чаша выглядит и куда вообще следует держать путь. С точки зрения современности - пустая трата времени. Колумб отплыл от берегов Испании на поиски западного пути в Индию на 14 кораблях, к берегам неизведанной Америки причалило 2 корабля, остальные погибли. Из кругосветного плавания Магелана вернулся 1 корабль. К слову сказать риск современных космических полетов составляет 0,2%. Что не говорите, но человечество стало старым, ленивым и расчетливым. На земле не осталось неизведанных мест, но нас по-прежнему манят далекие миры. Сегодня я предлагаю отправиться к далеким планетам. У нас всего два космических корабля, поэтому давайте разделимся на два экипажа и вперед к неизведанным мирам на покорение пространства. Один корабль называется «Протон» и члены экипажа протончики, другой корабль «Электрон» и члены экипажа соответственно -электрончики. Откройте свои бортовые журналы (рабочие тетради) и запишите историческую дату. Но прежде, чем покинуть Землю, давайте вспомним некоторые очевидные суждения о пространстве и времени.

2. 1.Движение не оказывает никакого влияния на течение времени (время абсолютно).

2. Линейные размеры любого тела не зависят от того, покоится тело или движется.

3. Скорость света одинакова во всех ИСО (слайд 1)

Вот здесь и начинаются противоречия. (слайд 2)

Представим себе поезд, который движется со скоростью v, в нем распространяется электромагнитная волна со скорость с, тогда по классическому закону сложения скоростей , скорость света в первом случае с-v, во втором случае -- c+v. Т.е при переходе от одной инерциальной системы к другой законы электродинамики должны меняться.

- Что такое инерциальная система отсчета.

- ИСО - это такая система, относительно которой свободные тела движутся с постоянной скоростью.

Преодолеть эти противоречия пытались многие ученные:

(слайд 3) Х. Лоренц: Принцип относительности не состоятелен в применении к электромагнитным явлениям. Проблема мирового эфира.

(слайд 4) Г. Герц: Уравнения Максвелла считать неправильными. Изменит их.

(слайд 5) Майкельсон, Морли. Опыт по обнаружению эфирного ветра. Эфир не обнаружен.

(слайд 6) Преодолеть проблему удалось только А. Эйнштейну. (Портрет и краткая биография -- сообщение учащегося)

3. Запишите тему путешествия «Элементы теории относительности», целью путешествия будут, те далекие миры, открыть которые мы сможем, опираясь на знания по теории относительности.

В основе ТО лежат два постулата (слайд 6)

1. Все процессы природы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета. (это означает, что во всех ИСО физические законы имеют одинаковую форму)

2. Скорость света в вакууме одинакова для всех ИСО. Она не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала.

(она является максимально возможной скоростью передачи взаимодействий в природе)

(Демонстрация1). Вот наш космический корабль стартует и посылает прощальный сигнал вспышкой света. ( Бумажная модель корабля и систем отсчета на магнитной доске). Свяжем систему отсчета К с землей, систему К1 с кораблем. В начальный момент времени начала координат совпадают. За время t системы сместятся друг относительно друга на расстояние vt, а сферическая волновая поверхность будет иметь радиус ct. Системы равноправны провожающих с Земли (система К) центр сферы будет находиться в точке О, а с точки зрения экипажа корабля (система К1) центр сферы будет находиться в точке О1. Может ли одна сфера иметь два центра. Опять противоречие. Но не внутри самой теории относительности, а лишь по классическим представлениям о пространстве и времени.

Итак, мы начали с того, что время абсолютно. Два события, одновременные для жителей Земли, одновременны для любой космической цивилизации. Создание теории относительности показало, что это не так. Причиной несостоятельности классических представлений о пространстве и времени является неправильное предположение о возможности мгновенной передачи взаимодействий и сигналов из одной точки пространства в другую. Существование конечной скорости передачи взаимодействий вызывает необходимость глубокого изменения обычных представлений о пространстве и времени.

Как синхронизируют часы. События в двух пространственно разделенных точках А и В произошли одновременно, если допустить мгновенное распространение сигналов.

(Демонстрация 2. Бумажная модель корабля и систем отсчета).Мы хотим синхронизировать часы: корма В, нос А. Посредине вспышка света. С точки зрения наблюдателя из системы К1, свет достигнет обоих часов одновременно. С точки зрения наблюдателя из системы К: корма приближается, значит свет пройдет меньшее расстояние, нос удаляется - свет пройдет большее расстояние. Два любых события одновременные в системе К1, неодновременны в системе К. Системы равноправны. Какой следует сделать вывод? Одновременность пространственно временных событий относительна.

Относительность промежутков времени

Допустим, интервал времени между двумя событиями, происходящими в одной и той же точке инерциальной системы К, равен ₀, тогда интервал времени в системе отсчета К1, движущийся относительно К со скоростью , выражается так:

(показ диска). Время течет медленнее в движущихся системах отсчета.

Относительность расстояний.

Расстояние тоже не является абсолютной величиной, а зависит от скорости движения:

l=l₀ (показ диска), l меньше l₀ , в этом состоит релятивистское сокращение размеров тела.

Зависимость массы от скорости.

При больших скоростях тела его масса не остается постоянной, а растет

m=

При скоростях движения много меньших скорости света выражение

мало отличается от единицы. Так при скоростях современной ракеты 10км\с получаем

=0,99999999944, заметить увеличение массы невозможно.

Полную энергию свободного тела определим как произведение его массы на квадрат скорости света: E=mc²

4. Теперь когда наши привычные представления о мире перевернуты, мы готовы совершить виртуальное путешествие.

Так как мы с вами сегодня протончики и электрончики наши корабли будут развивать скости близкие к скорости света, чего реальные корабли сделать не могут. Вам предложена примерная схема маршрута. Скажите, без какого элемента не может двигаться ни одно техническое средство?

-Без топлива.

Преодолев первый этап пути, вы получаете запас универсального топлива, на втором этапе тоже. Сильно долго не летайте, иначе запас топлива кончится и корабль погибнет. Между членами экипажа должно присутствовать чувство товарищества и взаимовыручка, но никто не должен выполнять работу за другого. Тот экипаж, который быстрее пройдет этап, вычерчивает на доске схему маршрута (задачу решает). Преодолев весь маршрут экипаж получает титул «Первопроходцы Вселенной» и делит богатства в зависимости от вклада. (получает оценки).

5. Начертить на доске график своего понимания темы (пройденный путь). По оси абсцисс откладываем основные моменты изучения и закрепления материала, по оси ординат усвоенность в баллах (можно от 0 до 100).

6. Основной вывод урока: Мы живем не в трехмерном пространстве, в четырехмерном. Время тоже движется. (слайд 7). Записать в рабочую тетрадь.

Схема маршрута:

1.Ракета движется относительно неподвижного наблюдателя со скоростью, равной 2,8*10⁸ м\с . Какое время пройдет по часам неподвижного наблюдателя, если по часам в ракете прошло 6 лет.

2. Какова будет длина (линейные размеры) вашего тела в системе отсчета, которая движется со скоростью 2,8*10⁸ м\с .

3. Какова масса в системе отсчета относительно которой вы движетесь с такой же скоростью (экипаж «Протона» берет массу покоя протона , экипаж « Электрона» -- электрона)

4. Наш корабль изменил скорость и движется со скорость 0,99с относительно Земли. Мы летим 10 лет. Сколько времени нас уже ждут на Земле.

6