Конспект урока «Основы специальной теории относительности»

Эпиграф:

Теория относительности Эйнштейна - это Акрополь человеческой мысли.

Л. Купер

Ход и содержание занятия.

Организационная часть. 2 мин

Приветствие.

Информация об отсутствии и записи в журнале.

Проверка подготовки студентов и аудитории к занятию.

Эмоционально – психологический настрой на занятие.

Я рада видеть вас сегодня на занятии, надеюсь, что вы будете активны, внимательны, а время пролетит незаметно и будет для вас приятным и полезным.

Мотивация учебной деятельности. 5 мин.

Сегодня на занятие я пришла не одна. Со мной таинственный господин, имени которого мы не знаем. Кто он, откуда явился к нам? Каков его характер? Для нас это пока загадка. Но я предлагаю определить его имя.

«Узнай меня». (Слайд 1)

Какие только списки самых-самых главных людей века не составлялись к концу истекшего столетия, этот человек присутствовал в них непременно. (Слайд 2)

Один из основателей современной теоретической физики, лауреат Нобелевской премии по физике 1921 года. (Слайд 3)

. Жил в Германии (1879—1893, 1914—1933), Швейцарии (1893—1914) и США (1933—1955). (Слайд 4)

С шести лет начал заниматься игрой на скрипке, а в гимназии он не был в числе первых учеников. (Слайд 5)

Закончив Политехникум, получил диплом преподавателя математики и физики. Работал в Бюро патентов, занимаясь преимущественно экспертной оценкой заявок на изобретения. (Слайд 6)

Свою общую теорию относительности закончил в 1915 году, но мировая известность пришла к нему только в 1919 году. (Слайд 7)

Был убеждённым демократическим социалистом, гуманистом, пацифистом и антифашистом. А это самое смешное фото ученого. (Слайд 8)

Это Альберт Эйнштейн.

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.

Сообщение темы, цели и содержания последовательности занятия.

Тема занятия: «Основы специальной теории относительности». (Слайд 9)

Цель занятия (формулируют учащиеся): 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.Классические представления о пространстве и времени.

2.Зарождение новой механики.

3.Постулаты теории относительности.

4.Основные следствия постулатов теории относительности.

5.Масса и энергия в специальной теории относительности.

6.Применение теории относительности.

Изучение нового материала. 40 мин.

Классические представления о пространстве и времени. (Слайд 10)

Физика как наука берет свое начало от Галилея. (Слайд 11)

Глубокие размышления над различными видами движения в окружающем мире привели Галилея к принципу относительности.

Содержание принципа относительности Галилея состоит в том, что никакими механическими способами невозможно установить, пребывает инерциальная система в состоянии покоя или движется равномерно и прямолинейно.

Путешественник, который находится в каюте плывущего корабля, может считать, что книга, лежащая на столе, пребывает в состоянии покоя. Однако человек на берегу видит, что корабль плывет, поэтому он может считать, что книга движется с той же скоростью, что и корабль.

Исаак Ньютон (слайд 12), который родился в год смерти Галилея, взял на вооружение все методы, взгляды и знания, которые всколыхнули научный мир 17 в. Ньютон обобщил открытия Галилея в виде двух законов, добавил третий закон и выдвинул гипотезу, что все тела притягивают друг друга (закон всемирного тяготения). Он ввел новое понятие – массу. Исаак Ньютон – основатель классической механики. На основании его законов была создана всеохватывающая система взглядов на мир. Законы Ньютона пояснили движения планет, приливы и отливы и даже едва заметное вращение земной оси с периодом 26 000 лет.

Законы Ньютона нельзя рассматривать вне пространства и времени. В классической механике считается, что время течет одновременно во всех инерциальных системах отсчета, что пространственные масштабы и масса тел во всех инерциальных системах отсчета одинакова.

С. Я Маршак писал:

Был мир глубокой тьмой окутан.

Да будет свет! И вот явился Ньютон!

В конце 19 века многие ученые считали, что развитие физики завершилось. Поскольку законы механики, теория всемирного тяготения существуют более 200 лет, разработана молекулярно-кинетическая теория, подведен мощный фундамент под термодинамику, завершена электродинамика Максвелла, открыты фундаментальные законы сохранения: энергии, импульса, массы и электрического заряда.

Но у стихотворения С.Я. Маршака есть оригинальное продолжение:

Недолго ждал реванша сатана

Пришел Эйнштейн (слайд 13)– все стало как всегда.

Т.е. все то, что в механике Ньютона было очевидным, оказалось неясным. Но был ли виновен в этом Эйнштейн?

Зарождение новой механики (слайд 14).

(Слайд 15) 1881 г. американские ученый А. Майкельсон и Э. Морли во время опытов сравнивали скорость света в направлении движения Земли и в перпендикулярном направлении. В обоих случаях скорость света оказалась равной с=3*108 м/с, что противоречило классическому правилу сложения скоростей.

Потом возникли сомнения в том, что масса тела всегда постоянна. Во время определения отношения для электронов в катодных лучах, оказалось, что при больших скоростях движения электронов уменьшается с увеличением скорости.

Эти противоречивые результаты привели к тому, что, образно выражаясь, зашатался классический фундамент физики, заложенный Ньютоном. Но нельзя было сделать вывод, что механика Ньютона не верна. Противоречили ей только опыты по определению скорости света или с движением частиц со скоростями, близкими к скорости света, поэтому была создана новая механика для скоростей, близких к скорости света в вакууме, и на звана она была релятивистской механикой (лат. relativus – относительный). Эта механика не отвергала классическую механику. Она только устанавливала границы ее применения. В ее основу были положены постулаты А. Эйнштейна – известного физика, творца современной физической науки. Постулат – это основное положение. Которое нельзя доказать логически. Постулат в физике является результатом обобщения опытных фактов. (Слайды16, 17))

Постулаты теории относительности (слайд 18).

Самостоятельная работа студентов. Заполнить таблицу. (С.У Гончаренко Физика, 11 класс, §65, с.177, 178)

СТО – современное учение о пространстве и времени.

(Создано _________________________________)

В первом постулате Эйнштейн расширил принцип относительности Галилея. А во втором – объяснил результат опытов Майкельсона и Морли. Обсуждение таблицы, просмотр слайдов 19 – 21.

Считалочка. 2 мин.

Раз, два, три, четыре, пять

Будем физиков считать.

Раз – Столетов, два – Ньютон,

Три – ученый Клапейрон,

А четыре будет Ом,

Пять – Паскаль, а кто потом?

Назовите ученых – физиков, которые внесли значительный вклад в развитие механики.

Основные следствия постулатов теории относительности (слайд 22).

Из постулатов теории относительности следует ряд важных выводов, которые касаются свойств пространства и времени.

Относительность одновременности.

События, одновременные в одной инерциальной системе отсчета, не одновременны в других инерциальных системах отсчета, движущихся относительно первой.

Слайд 23. 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 длины (расстояний).

Длина не является абсолютной величиной, а зависит от скорости движения тела относительно данной системы отсчёта.

Уменьшение длины в направлении движения

, где l 0 –длина тела в системе отсчета, где оно покоиться – собственная длина

Относительность промежутка времени (слайд 25).

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. t0 – время, измеренное в системе отсчета, где точки системы неподвижны – собственное время.

Слайд 26. 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.

Слайд 27. 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.

Релятивистский закон сложения скоростей (слайд 28) ., 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

Масса и энергия в специальной теории относительности (слайд 29).

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

, где m0- масса покоящегося тела.

Слайд 30. На рисунке представлена зависимость массы тела от его скорости. Из рисунка видно, что 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 (слайд 31)

.

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.

Закрепление изученного материала. 3 мин.

Верю - не верю (слайды 32 – 36).

В основе теории относительности Эйнштейна лежит 3 постулата. –

Все процессы природы протекают одинаково в любой инерциальной системе отсчета. +

Размеры тел в движущейся системе отсчета остаются такими же, как в неподвижной. –

Молодо выглядящая женщина-астронавт, вернувшаяся из продолжительного космического полета, бросается к седовласому старцу и в разговоре называет его своим сыном. Возможно ли это? +

А у нас сюжет из Лондона. Внимание на экран. (Слайды 37-44).

Работа в группах («учась – учусь»). Сообщения представителей групп на тему: «Теория относительности Эйнштейна глазами современных художников – графиков», «Эйнштейн, Пикассо» Артура Миллера».

Контроль и самопроверка знаний. 20 мин.

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

ТЕСТ

Давайте посчитаем, насколько мы можем замедлить время, если наш корабль мчится во Вселенной со скоростью 0,8с? Сколько времени будет продолжаться урок, если на Земле он 40 минут? Ученики самостоятельно рассчитывают в тетрадях значение времени. Ответ: 24 минуты.

Закончить я предлагаю наше занятие синквейном. Синквейн – особый поэтический жанр, который пишется в соответствие с жесткой структурой (слайд 45).

1 строка – существительное в именительном падеже или словосочетание, называющее тему синквейна;

2 – два прилагательных;

3 – три глагола;

4 – простое предложение, отражающее идею синквейна;

5 – слово – синоним, сравнение, содержащее личностную оценку.

Надеюсь, вы получили удовольствие от нашего путешествия, а знания, полученные на этом занятии, найдут свое продолжение в вашей жизни. Особенность нашего времени – чрезвычайно ускоренное 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.

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

Онтологическая рефлексия.

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

Домашнее задание (слайд 46): 3 мин

По учебнику С.У Гончаренко «Физика, 11 класс» прочитать § 65-67, выучить формулы и определения (для учеников с низким и средним уровнем обучения) +№1, 7 с.529 В. Дмитриева Физика (для учеников с достаточным и высоким уровнем обучения). Творческое задание (доклад): «Теория относительности и кубизм»

Литература

1. Гончаренко С.У. Фізика: Підруч. для 11 кл. серед. загальноосв. шк. – К.: Освіта, 2002.-319 с.

2. 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.

3. Дмитрієва В.Ф. Фізика: Навч. посіб. –К.: Техніка, 2008.-648 с.: іл.

4.http://sp.bdpu.org/search ?Subject%3Alist=11.5.%20%D0%95%D0%BB%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%B8%20%D1%82%D0%B5%D0%BE%D1%80%D1%96%D1%97%20%D0%B2%D1%96%D0%B4%D0%BD%D0%BE%D1%81%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%96

5. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD,_%D0%98%D1%81%D0%B0%D0%B0%D0%BA

6.http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%B9%D0%BD%D1%88%D1%82%D0%B5%D0%B9%D0%BD,_%D0%90%D0%BB%D1%8C%D0%B1%D0%B5%D1%80%D1%82

7.http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%BB%D0%B5%D0%B9,_%D0%93%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%BB%D0%B5%D0%BE

Приложение 1

СТО – современное учение о пространстве и времени. (Создано А.Эйнштейном в 1905г.)

Основные следствия постулатов теории относительности.

Масса и энергия в специальной теории относительности. При увеличении скорости тела его масса не остается постоянной, а увеличивается. где m0- масса тела, которое покоится. Связь между энергией и массой 
Презентация
PPT / 5.44 Мб