План-конспект урока по теме "Элементы теории относительности."
методическая разработка по физике (11 класс)

План-конспект урока в 11 классе

Тема:  Элементы теории относительности.

Цели изучения темы: 1) Формированию у учащихся научного мировоззрения, ознакомлению школьников с современными представлениями о пространстве и времени систем отсчета и взаимосвязи их свойств с физическими законами.

2) Раскрытию на примере теории  относительности  диалектических  закономерностей процесса  познания  природы в физике, знакомству учащихся с методами научного познания.

3) Формированию научного мышления учащихся, развитию их творческих способностей, воспитанию любви к поиску истины.

4) Обобщению и углублению знаний учащихся об основных понятиях и законах школьного курса механики.

Задачи урока: обнаружить и углубить знание учеников о пространстве и времени; раскрыть содержание основных положений СТО, познакомить с последствиями СТО и фактами, которые подтверждают их.

Умения и навыки:

 Развивать абстрактное мышление, интеллект, логику, формировать умение сравнивать и анализировать физические понятия; способствовать развитию познавательной компетентности.

 Формировать умение высказывать и аргументировать свою точку зрения, воспитывать интерес к предмету и современной науке.

Тип урока: усвоение новых знаний.

Основные понятия для изучения: постулаты СТО, относительность одновременности ( расстояний),

Относительность промежутков времени, релятивистский закон сложения скоростей, релятивистская  механика, связь между массой и энергией.

Оборудование: раздаточный материал (тесты, таблицы), Фотография А. Эйнштейна, рисунки.

Формы работы: фронтальная, индивидуальная, групповая

Методы: по источнику получения знаний – словесный (лекция, работа с книгой), практический (тестовые задания, таблица ,задачи.

Межпредметные связи:  Математика, , астрономия.

Ход урока.

Организационная часть. 2 мин

Приветствие.

Информация об отсутствии и записи в журнале.

Проверка подготовки учащихся к занятию.

Эмоционально – психологический настрой на занятие.

   « Здравствуйте, я рада видеть вас в добром здравии, в хорошем настроении, готовыми к великим делам ,думаю, что сегодня мы поработаем на славу надеюсь, что вы будете активны, внимательны, а время пролетит незаметно и будет для вас приятным и полезным».

Мотивация учебной деятельности. 5 мин.

«Сегодня на  мы в классе не одни, с нами  великий физик имя которое на слуху и вы не раз его слышали (указываю на портрет над доской),

, предлагаю рассказать , кто что знает о нем и о его открытии, далее предлагаю учащемуся подготовившему сообщение биографии А.Эйнштейна ( 2-3 мин.)

Сообщение темы, цели и содержания последовательности занятия

Тема урока: «Элементы теории относительности»

Задачи урока: углубить знания о пространстве и времени; раскрыть содержание основных положений СТО, познакомиться с выводами СТО и опытными фактами, которые подтверждают их; с понятием релятивистской энергии и ее связи с массой тела.

План.

1..Зарождение новой механики

2.Классические представления о пространстве и времени.

3.Постулаты теории относительности.

4.Основные следствия постулатов теории относительности.

5.Масса и энергия в специальной теории относительности.

6.Применение теории относительности.

   1895-1904 гг были этапными в переходе к новой физике, физике ХХ века, фундамент которой  заложили теория относительности и квантовая теория. Начало ее можно отнести к 1905г. Когда А.Эйнштейн разработал третью после механики Ньютона и электродинамики Максвелла великую физическую теорию – СТО, а из идеи кванта  М.Планка родилась теория квантов света. При этом переход от классической  физики к современной характеризовался  не только возникновений новых идей, концепций и понятий, но и изменением языка формул и самого способа мышления- изменения ее духа в целом.

     Первый этап современной физики  начинается с создания  СТО , которая своим происхождением обязана фундаментальному  противоречию, существующему  между электродинамикой Максвелла-Лоренца и классической механикой Ньютона.

    Современная физика подразделяется на:

1. Классическую механику (изучает . движение макротел и микротел с малыми скоростями V << c).
2.  Релятивистскую механику (изучает движение макротел с большими скоростями V< = с).
3. Квантовую механику ( изучает движение микротел со скоростями V < или = с).

     Предлагаю углубиться в чтение параграфа  75 учебника, «Введение», и ответить на наводящие вопросы : 1. Почему , как вы считаете, механику Ньютона назвали «классической»? 2. В чем заключается «Принцип относительности Галилея?. 3.Зачитать из параграфа пример противоречия. 4. Назвать три  способа разрешения возникших трудностей.6. Какой способ  оказался единственно верным?

    И так: Единственно правильным оказался именно третий способ. Последовательно развивая его, А. Эйнштейн пришел к новым представлениям о пространстве и времени. Первые два пути, как оказалось, опровергаются экспериментом.

Классические представления о пространстве и времени: в классической механике пространственные координаты и время являются независимыми),  время является абсолютным, то есть течёт одинаково во всех системах отсчёта, и действуют преобразования   Галилея.

    Специальная теория относительности – это новое учение о пространстве и времени, которое основывается на 2-х постулатах:

Первый постулат - принцип относительности: все физические явления протекают одинаково в любых ИСО.

Второй постулат- принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме не зависит от направления его распространения и от движения источника.

Основные следствия постулатов теории относительности.

Относительность одновременности.

В СТО одновременность двух событий , происходящих в различных точках пространства, относительна: события ,одновременные в одной инерциальной системе отсчета, не одновременны в других инерциальных система., движущихся относительно первой.

. Допустим, что космонавт хочет узнать, одинаково ли идут часы А и В, установленные на противоположных концах космического корабля. Для этого с помощью источника, неподвижного относительно корабля и расположенного в его середине, космонавт производит вспышку света. Свет одновременно достигает обоих часов. Если показания часов в этот момент одинаковы, то часы идут синхронно.

Но так будет лишь относительно системы отсчета, связанной с кораблем. В системе же отсчета, относительно которой корабль движется, положение иное (слайд 24).

Часы на носу корабля удаляются от того места, где произошла вспышка света источника, и чтобы достичь часов А, свет должен преодолеть расстояние, большее половины длины корабля. Напротив, часы В на корме приближаются к месту вспышки, и путь светового сигнала меньше половины длины корабля, поэтому наблюдатель в системе отсчета, относительно которой корабль движется, придет к выводу, что сигналы достигают обоих часов неодновременно.

Относительность  длин (расстояний)

   l

l  - l  длина стержня в системе k, l – длина стержня в системе k, относительно которой стержень движется со скоростьюV .

     Линейный размер тела, движущегося относительно ИСО, уменьшается

Относительность промежутков времени

      Длительность одного и того же процесса различна в различных инерциальных системах отсчета. Не существует универсального времени, которое было бы применимо повсюду. Если два человека, движущихся относительно друг друга станут измерять время, они получат разные результаты. Это означает, что измерение времени возможно лишь относительно конкретной системы отсчета (поезд, насыпь, космический корабль, Земля и т.д.)

Интервал времени между событиями в движущейся системе отсчета

- релятивистский эффект замедления времени в движущихся системах отсчета. tо – время, измеренное в системе отсчета, где точки системы неподвижны – собственное время. На этом удивительном феномене замедления времени основан следующий знаменитый мысленный эксперимент, так называемый парадокс близнецов.

    Представим себе, что один из двух близнецов отправляется в длительное путешествие на космическом корабле и уносится от Земли на чрезвычайно высокой скорости. Через пять лет он поворачивает и направляется обратно. Таким образом, общее время в пути составляет 10 лет. Дома обнаруживается, что оставшийся на Земле близнец успел постареть, скажем, на 50 лет. На сколько лет путешественник будет моложе, чем оставшийся дома, - зависит от скорости полета.

.   Возможно, этот мысленный эксперимент кажется абсурдным, однако было проведено бесчисленное множество подобных экспериментов, и все они подтверждают предсказание теории относительности. Пример: сверхточные атомные часы несколько раз облетают Землю на пассажирском самолете. После приземления выясняется, что на атомных часах в самолете действительно прошло меньше времени, чем на других атомных часах, для сравнения оставленных на Земле. Поскольку скорость пассажирского самолета значительно меньше скорости света, замедление времени совсем невелико.

      Время в движущихся системах замедляется.

Релятивистский закон сложения скоростей

 , где V2 – скорость тела относительно неподвижной системы отсчета, V1 – скорость тела относительно движущейся системы отсчета, V – скорость подвижной системы относительно неподвижной.

Замечательным свойством закона сложения скоростей является то, что при любых скоростях тела и системы отсчета (не больше скорости света в вакууме), результирующая скорость не превышает с. Движение реальных тел со скоростью больше с невозможно

Вопрос?: а закон сложения скоростей в классической механике, его формула и физическое истолкование?.....

V2=V1+V

Масса и энергия в специальной теории относительности

 (При увеличении скорости тела его масса не остается постоянной, а растет.

, где m0- масса покоящегося тела.

Тогда, возрастание массы тем больше, чем ближе скорость движения тела к скорости света. . С учетом этого импульс тела

.

С помощью теории относительности Эйнштейн установил замечательную по своей простоте и общности формулу связи между энергией и массой

.

Сам Эйнштейн считал это уравнение важнейшим выводом теории относительности. Энергия тела или системы тел равна массе, умноженной на квадрат скорости света. Если изменяется энергия системы, то изменяется и ее масса.

Любое тело обладает энергией и при скорости, равной нулю (уже благодаря факту своего существования). Это так называемая энергия покоя.

.

Теория относительности Эйнштейна нашла широкое применение в астрономии, объяснила немало астрономических явлений.

Эйнштейн утверждал, что во время прохождения света вблизи больших масс должно наблюдаться искривление лучей. Это было подтверждено в 1919 г. Во время полного солнечного затмения участники Международной экспедиции сфотографировали звездное небо во время затмения. Сравнивая эти фотографии с фотографиями того же участка неба, но без Солнца, ученые обнаружили, что звезды сместились. Это результат смещения световых лучей от звезд при прохождении их вблизи Солнца.

Часы идут медленнее вблизи массивных тел.

Доказано, что во время движения планет вокруг Солнца плоскости их орбит поворачиваются.

В астрономии было открыто явление удаления галактик, причем скорость удаления пропорциональна расстоянию от галактики до наблюдателя. Это открытие согласовано с выводами теории относительности о зависимости длины волны от скорости.

Решение задач (с объяснением у доски).

Найдите полную энергию космического корабля с массой покоя 10 т, движущегося со скоростью 0,9 с. (с=3*108 м/с)

Е-? Ответ: 20, 45·1019Дж

Какую скорость должно иметь тело, чтобы его продольные размеры уменьшились для наблюдателя в 3 раза?

V-? Ответ: 2, 83·108Дж

Закрепление изученного материала. 3 мин. Вопросы по плану нового материала? Выводы , которые делают ребята по теме урока.

Первый вариант:

Тест: 1. Укажите, при каких условиях законы СТО переходят в законы классической механики:

А) при V<< с, Б) при V=с, B) при V <с, Г) при V >с , Д) при V >> с, Е) никогда не переходят.

2. Укажите, какие из приведенных ниже утверждений являются постулатами частной теории относительности: 1) законы природы имеют одинаковую математическую форму в любой ИСО; 2) скорость света в вакууме одинакова для всех ИСО; 3) все законы природы имеют разную математическую форму в разных ИСО; 4) скорость света зависит от выбора СО.

А) Только 1; Б) только 2; В) только 3; Г) 1 и 2 ; Д) 3 и 4

3. Некоторая звезда удаляется от Земли со скоростью V, свет, испущенный этой звездой, приходит на Землю со скоростью:

А) С ; Б) С-V ; B) C+V

Правильные ответы А, Г, А

Второй вариант.

1. Кто утверждал, что все ИСО равноправны, и во всех ИСО не только механические, но и все другие физические законы имеют одинаковую форму?

А) Г.Галилей; Б) И.Ньютон; В) А.Эйнштейн.

2. Укажите правильное утверждение:

А) принцип относительности в классической физике распространяется на все законы природы, а в релятивистской - только на законы механики;

Б) принцип относительности в одинаковой степени распространяется как на релятивистскую, так и на классическую физику;

В) релятивистский принцип относительности распространяется на все законы природы, а классический принцип относительности распространяется только на законы механики.

3. Два автомобиля движутся навстречу друг другу. Скорость каждого относительно земли равна V. Чему равна скорость света фар первого автомобиля в системе отсчёта, связанной со вторым автомобилем? Скорость света в системе отсчёта, связанной с Землёй, равна С.

А) С; Б ) С+ V ; В ) С + 2 V ; Г ) С - V ; Д ) С - 2 V ;

Правильные ответы В, В, А

 Подведение итогов урока: анализ уровня активности, оценка знаний. 5 мин:

Рефлексия:

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

Домашнее задание параграфы 75-79, , заполнить таблицу, выучить формулы, творческое задание – доклад по теме ОТО(общая теория относительности).. «Теория относительности Эйнштейна глазами современных художников – графиков», «Эйнштейн, Пикассо» Артура Миллера»

Литература:» Физика 11 класс» Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М,  Жданов. Л.С., Жданов Г.Л. «Физика для средних специальных учебных заведений»: Учебник.-4-е изд., испр. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984.-512с., «Опорные конспекты для изучения физики за курс средней  общеобразовательной школы». «Современная школьная энциклопедия.Физика» Белоусов В.В. .Издательство «Мир книги» 2007.

Конспект составила ; Окользина Н.А.                               учитель ГБОУ СОШ № 317