Конспект урока с презентацией по теме "Специальная теория относительности"

ТЕМА: СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ /СТО/

Дидактические цели:

• Ознакомление учащихся с классическими понятиями пространства и времени и экспериментальными основами СТО.
• Раскрытие физического и философского смысла постулатов Эйнштейна, а также сущность и свойства релятивистского понятия пространства и времени.

Воспитательная цель:

Ознакомление учащихся с современными представлениями понятия пространства и времени, способствовать выработке у них  диалектико-материалистического мировоззрения.

Основные знания и умения:

 Знать принцип относительности Галилея, формулу сложения  скоростей, границы применимости классической механики, основные опыты и явления, которые противоречат законам классической механики; постулаты Эйнштейна.

                            Методические рекомендации

    Последовательность изложения нового материала

 1.Классическое представление понятий пространства и времени.

 2.Инерциальная система отсчёта. Принцип относительности Галилея.

 3.Экспериментальные основы СТО.

 4.Постулаты Эйнштейна.  

 Мотивация познавательной деятельности учащихся:

     Теория относительности возникла не случайно, а явилась закономерным итогом предшествующего развития физической науки. На этом примере следует довести до сознания учащихся смысл развития физической науки: новая теория не отменяет старой,  а включает её в себя как частный, предельный случай.

ХОД         УРОКА

1.Орг. момент.

2.Объяснение нового материала.

     Инерциальные системы отсчета (ИСО) - системы отсчета, в которых выполняется первый закон Ньютона - закон инерции. Системы, которые вращаются или ускоряются неинерциальные. Землю нельзя считать вполне ИСО: она вращается, но для большинства наших целей СО, связанные с Землей, в достаточно хорошем приближении можно принять за инерциальные. Система отсчета, движущаяся равномерно и прямолинейно относительно ИСО, также инерциальна.
     Г.Галилей и  И.Ньютон глубоко осознавали то, что мы сегодня называем принципом относительности, согласно которому механические законы физики должны быть одинаковыми во всех ИСО  при одинаковых начальных условиях. Из этого следует: ни одна ИСО ничем не отличается от другой СО.
      Принцип относительности Галилея исходит из некоторых допущений, которые опираются на наш повседневный опыт.  Предполагается, что длина тел одинакова в любой СО и что время в различных системах отсчета течет одинаково.
     В классической механике пространство и время считаются абсолютными. Предполагается, что масса тела, а также все силы остаются неизменными при переходе из одной ИСО в другую. В справедливости принципа относительности нас убеждает повседневный опыт, например в равномерно движущемся поезде или самолете тела движутся так же, как на Земле.
     Не существует эксперимента, с помощью которого можно было бы установить, какая СО действительно покоится, а какая движется. Нет СО в состоянии абсолютного покоя. Для любых механических явлений все инерциальные системы отсчета оказываются равноправными. Галилей не задумывался о других явлениях, т.к. в те времена механика составляла по существу всю физику. До середины XIX в. считали, что все физические явления можно объяснить на основе механики Ньютона.
     В середине XIX в. была создана теория электромагнитных явлений (теория Максвелла). Оказалась, что уравнения Максвелла изменяют свой вид при галилеевских преобразованиях  перехода от одной ИСО к другой. Возник вопрос, о том, как влияет равномерное прямолинейное движение на все физические явления. Перед учеными встала проблема согласования теорий электромагнетизма и механики.
     Согласно теории Максвелла свет - электромагнитная волна, которая  распространяется со скоростью с = 300000000 м/с. Спрашивается, относительно чего свет движется со скоростью с? Ответ на этот вопрос не содержится  в теории Максвелла. Если свет  - волна, и если волна распространяется в среде, то свет движется со скоростью с относительно среды. Эта светоносная среда получила название эфира. Дебаты, касающиеся светоносного эфира к концу XIX в. достигли особой остроты. Интерес к эфиру возрос, когда стало ясно, что созданная Максвеллом теория оказалась успешной и вроде бы свидетельствует о том, что эфир можно наблюдать.
     Если эфир существует, то должен быть обнаружен эфирный ветер. Опыт по обнаружению эфирного ветра был поставлен в 1881 г. американскими учеными А.Майкельсоном и Р. Морли с помощью оригинального интерферометра. Наблюдения проводились в течение длительного времени. Опыт многократно повторяли. Результат оказался отрицательным: никакого движения Земли относительно эфира обнаружить не удалось. Различные эфирные теории завели физику в тупик.

     В 1905 году А.Эйнштейн, отвергнув гипотезу эфира, предложил специальную (частную) теорию относительности СТО, на основе которой можно совместить механику и электродинамику. В 1905 г. вышла его работа «К электродинамике движущихся тел». В ней Эйнштейн сформулировал два принципа (постулата) теории относительности.

     I постулат: все законы природы имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета. Этот постулат явился обобщением принципа относительности Ньютона не только на законы механики, но и на законы остальной физики. Первый постулат - принцип относительности.

     II постулат: свет распространяется в вакууме с определенной скоростью с, не зависящей от скорости источника и от скорости приемника  светового сигнала.

      Чтобы сформулировать эти постулаты, нужна была большая научная смелость, т.к. они, очевидно, противоречили классическим представлениям о пространстве и времени.
     Итак, современная физика подразделяется на:

     · классическую механику, которая изучает движение макроскопических тел с малыми скоростями ( v<<c );

     · релятивистскую механику, которая изучает движение макроскопических тел с большими скоростями ( v<c );

     · квантовую механику, которая изучает движение микроскопических тел с малыми  скоростями  ( v<<c );

     · релятивистскую квантовую физику, которая изучает движение микроскопических тел с произвольными скоростями ( v£c ).

     3. Запись опорных конспектов в тетрадь.

   

4. Закрепление новой темы – решение тестов.

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

А) при V<< C,   Б) при V=C,   B) при V <C,   Г) при V >C ,   Д) при V >> C,   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.      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.

4.      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.

5.      Укажите правильное утверждение:

А) в классической физике скорость взаимодействия тел конечна и равна скорости света в вакууме, в релятивистской физике скорость взаимодействия мгновенная;

Б) в классической физике скорость взаимодействия тел считается мгновенной, в релятивистской физике существует максимальная конечная скорость взаимодействия - скорость света в вакууме.

6.      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.

7.      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;

Проверка, обсуждение результатов тестирования, правильности выбранных ответов.

(Ответы: А, Г, В, В, Б, А, А.)

5. Разбор вопросов теста. Обобщение ошибок.
6. Выставление оценок в журнал.

7. На дом § 75-78

8. Дополнительный материал.

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.

Учитель: А сейчас мы почитаем художественную литературу и ответим на вопросы. Джордж Гамов - физик-теоретик, автор многих работ по квантовой механике, атомной и ядерной физике, астрофизике, космологии и биофизике, автор книги " Приключения мистера Томпкинса". Отрывок из неё мы прочитаем .

1. "Одинокий велосипедист показался вдали и стал медленно приближаться. Когда он подъехал поближе, мистер Томпкинс вытаращил глаза от изумления: и велосипед, и восседавший на нём молодой человек были невероятно сокращены в направлении движения, как будто их рассматривали через цилиндрическую линзу. Часы на башне пробили пять, и велосипедист, по-видимому, куда-то спешивший, приналёг на педали. Мистер Томпкинс не заметил, чтобы скорость от этого прибавилась, но усилия велосипедиста не прошли бесследно: он сократился  ещё сильнее и отправился дальше, в точности напоминая картинку, вырезанную из картона. Тут мистер Томпкинс ощутил прилив гордости, ибо ему было совершенно ясно, что происходило с велосипедистом"

ВОПРОС: Что же произошло с велосипедистом? (Заслушивают ответы учеников).

2."Томпкинс воспользовался чьим-то велосипедом, стоящим у края тротуара, и помчался по улице. Он ожидал, что сразу сократится в направлении движения, и даже был очень рад этому, так как начавшая расползаться за последнее время фигура причиняла ему некоторые неприятности. Но, к величайшему удивлению мистера Томпкинса, ни с ним самим, ни с велосипедом ничего не произошло. Сократились улицы, витрины лавок и магазинов превратились в узкие щели, а полисмен на углу стал самым тощим человеком, которого приходилось когда-нибудь видеть мистеру Томпкинсу".

ВОПРОС: Объяснить, что произошло?

3."Джентльмен, на вид лет сорока, сошел с поезда и направился к выходу. Его встречала леди весьма преклонного возраста, которая, к удивлению мистера Томпкинса, называла его не иначе, как "мой дорогой дедушка". Для мистера Томпкинса это было уж чересчур. Под предлогом помочь поднести вещи, он вмешался в разговор.- Прошу извинить меня за то, что я вмешиваюсь в ваши семейные дела, - начал он,- но действительно ли вы приходитесь дедушкой этой милой пожилой леди? Видите ли, я в этих местах человек новый и не знаю местных обычаев, но мне никогда не доводилось...- Понимаю ваше затруднение,- улыбнулся в усы джентльмен."

ВОПРОС: Что ответил джентльмен мистеру Томпкинсу?

• 1 слайд

  СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
  

• 2 слайд

  Инерциальные системы отсчета (ИСО) - системы отсчета, в которых выполняется первый закон Ньютона - закон инерции.
  

• 3 слайд

  Системы, которые вращаются или ускоряются неинерциальные.
  

• 4 слайд

  Принцип относительности Галилея исходит из некоторых допущений, которые опираются на наш повседневный опыт. Предполагается, что длина тел одинакова в любой СО и что время в различных системах отсчета течет одинаково.
  

• 5 слайд

  В классической механике пространство и время считаются абсолютными.
  

• 6 слайд

  Предполагается, что масса тела, а также все силы остаются неизменными при переходе из одной ИСО в другую.
  

• 7 слайд

  До середины XIX в. считали, что все физические явления можно объяснить на основе механики Ньютона.
  

• 8 слайд

  В середине XIX в. была создана теория электромагнитных явлений (теория Максвелла). Оказалась, что уравнения Максвелла изменяют свой вид при галилеевских преобразованиях перехода от одной ИСО к другой. Возник вопрос, о том, как влияет равномерное прямолинейное движение на все физические явления.
  

• 9 слайд

  Согласно теории Максвелла свет - электромагнитная волна, которая распространяется со скоростью
  с = 300000000 м/с. Спрашивается, относительно чего свет движется со скоростью с?
  

• 10 слайд

  В 1905 году А.Эйнштейн, отвергнув гипотезу эфира, предложил специальную (частную) теорию относительности СТО, на основе которой можно совместить механику и электродинамику.
  

• 11 слайд

  Эйнштейн сформулировал два принципа (постулата) теории относительности.
  

• 12 слайд

  I постулат: все законы природы имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета. Этот постулат явился обобщением принципа относительности Ньютона не только на законы механики, но и на законы остальной физики. Первый постулат - принцип относительности.
  

• 13 слайд

  II постулат: свет распространяется в вакууме с определенной скоростью с, не зависящей от скорости источника и от скорости приемника светового сигнала.
  

• 14 слайд

  Современная физика подразделяется на:
  классическую механику, которая изучает движение макроскопических тел с малыми скоростями ( vc );
  релятивистскую механику, которая изучает движение макроскопических тел с большими скоростями ( vc );
  квантовую механику, которая изучает движение микроскопических тел с малыми скоростями ( vc );
  релятивистскую квантовую физику, которая изучает движение микроскопических тел с произвольными скоростями ( vc ).
  

• 15 слайд

• 16 слайд

  Ответы к тесту:
  А
  Г
  В
  В
  Б
  А
  А
  

• 17 слайд

  Оценка за тест
  «5» - 4 правильных ответа
  «4» - 5 правильных ответов
  «3» - 6-7 правильных ответов
  

• 18 слайд

  Домашнее задание
  § 75-79
  

Тест к уроку «СТО»

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

А) при V<< C,   Б) при V=C,   B) при V <C,   Г) при V >C ,   Д) при V >> C,   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.       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.

4.       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.

5.       Укажите правильное утверждение:

А) в классической физике скорость взаимодействия тел конечна и равна скорости света в вакууме, в релятивистской физике скорость взаимодействия мгновенная;

Б) в классической физике скорость взаимодействия тел считается мгновенной, в релятивистской физике существует максимальная конечная скорость взаимодействия - скорость света в вакууме.

6.       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.

7.       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;

Тест к уроку «СТО»

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

А) при V<< C,   Б) при V=C,   B) при V <C,   Г) при V >C ,   Д) при V >> C,   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.       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.

4.       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.

5.       Укажите правильное утверждение:

А) в классической физике скорость взаимодействия тел конечна и равна скорости света в вакууме, в релятивистской физике скорость взаимодействия мгновенная;

Б) в классической физике скорость взаимодействия тел считается мгновенной, в релятивистской физике существует максимальная конечная скорость взаимодействия - скорость света в вакууме.

6.       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.

7.       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 ;