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.»

Учитель физики ДОШ №2

Субботина В.А.

2014 г.

Урок № 32

Цели урока:

1.     Предпосылки создания теории относительности. Пояснение её содержания, постулатов специальной теории относительности Эйнштейна. Понимание закона сложения скоростей в релятивистской механике.

2.     Продолжать формировать абстрактное логическое мышление учеников.

3.     Воспитывать уважение к трудам великих учёных.

Оборудование: таблица "Относительность движения в классической механике".

Тип урока: усвоение новых знаний.

План урока:

I.            Организационный момент.

II.         Мотивация учебной деятельности.

III.     Сообщение темы, цели и задач урока.

IV.      Восприятие и первичное осмысливание нового материала.

V.         Закрепление нового материала.

VI.      Подведение итогов урока.

VII.  Домашнее задание.

Конспект урока.

      I.      Организационный момент:

В рабочих тетрадях записывается дата, тема урока.

  II.      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.

III.      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:

1)    Источники и основы теории относительности.

2)    Постулаты теории относительности.

3)    Релятивистский закон сложения скоростей.

IV.      Восприятие и первичное осмысливание нового материала:

1)    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:

1.     Огласить несостоятельным принцип относительности для электромагнитных явлений;

2.     Объявить неправильными уравнения Максвелла и изменить их так, чтобы они не изменялись при переходе от одной к другой ИСО;

3.     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."

2)    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:

1.     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.

2.     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.

3)    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.

Запишем 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.

   V.      Закрепление нового материала. Фронтальный опрос:

1)    Какие научные противоречия привели к созданию теории относительности?

2)    Дайте определение теории относительности.

3)    Сформулируйте постулаты теории относительности и проанализируйте их.

4)    Чем отличается принцип относительности Эйнштейна от принципа относительности Галилея?

5)    Чем закон сложения скоростей в классической механике отличается от закона сложения скоростей в релятивистской механике?

VI.      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.

VII.      Домашнее задание: записывается в дневниках и на доске:

Учить §36 и конспект.