Урок + презентация по физике для 11 класса «Принцип относительности Галилея и электромагнитные явления»

ТЕМА: ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ГАЛИЛЕЯ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

ЦЕЛИ:

I. Образовательные:

1) обеспечить формирование понятия о содержании раздела «Основы специальной теории относительности»;

2) обеспечить формирование представлений о предпосылках создания СТО: а) неприменимость принципа относительности Галилея к электромагнитным явлениям;

б) ввести понятие «эфира» и обеспечить формирование представлений о способах доказательства несостоятельности теории эфира (опыт Майкельсона-Морли);

II. Развивающие:

создавать ситуации, способствующие развитию логического мышления на основе усвоения учащимися причинно-следственных связей; развитию умения строить аналогии; развитию памяти; навыков рефлексивной деятельности;

III. Воспитательные:

создавать ситуации, способствующие воспитанию диалектико-материалистического мировоззрения, интереса и уважительного отношения к предмету.

НЕОБХОДИМОЕ ДИДАКТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ, ЭСО:

мультимедийный проектор, сигнальные карточки.

ПЛАН УРОКА

1. ОРГАНИЗАЦИОННЫЙ МОМЕНТ. МОТИВАЦИЯ

2. АКТУАЛИЗАЦИЯ ОПОРНЫХ ЗНАНИЙ

3. ФИЗКУЛЬТМИНУТКА

4. ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

5. ФИЗКУЛЬТМИНУТКА

6. ЗАКРЕПЛЕНИЕ МАТЕРИАЛА

7. ЗАДАНИЕ НА ДОМ

8. РЕФЛЕКСИЯ

ХОД УРОКА:

1. ОРГАНИЗАЦИОННЫЙ МОМЕНТ. МОТИВАЦИЯ

На прошлом уроке вы написали контрольную работу по теме «Оптика». И, наверное, ещё помните, чему равна скорость света? (С=3∙10⁸ м/с )

- Это очень большая скорость, почти 1 млд. км/ч.

- И, оказалось, что при движении со скоростями, близкими к скорости света, начинают проявляться новые свойства пространства и времени: сокращение длины, замедление времени.

- Вот эти почти фантастические свойства вы будете рассматривать при изучении раздела: «Основы специальной теории относительности (СТО)».

- СТО - раздел физики, в котором изучаются свойства пространства и времени при движении со скоростями, близкими к скорости света в вакууме.

- Вы скажете, а зачем нам нужно изучать СТО? Ведь на своём велосипеде или скутере я до скорости света всё равно никогда не разгонюсь.

- Попробую вас переубедить.

4 «ЗА» в пользу изучения СТО:

1) 90% информации об окружающем мире мы получаем посредством зрения, т. е. воспринимаем световые лучи.

А вы знаете, что свет - это электромагнитные волны, которые распространяются в пространстве со скоростью С=3∙10⁸ м/с

2) Вы, конечно, знаете, что такое метро. Чтобы попасть внутрь, нужно пройти через турникет, который «зайцев» пропускать не хочет.

Или, например, входные двери в магазинах и офисах, которые сами открываются и закрываются. Тоже видели.

Ну, а пульт для включения телевизора знают все.

Во всех этих приборах применяются фотоэлементы, принцип действия которых объясняется явлением фотоэффекта (с которым вы познакомитесь позднее).

Обратите внимание: фото - эффект, т. е. здесь тоже мы имеем дело со световыми явлениями.

3) Многие Галактики во Вселенной движутся со скоростями, близкими к скорости света, поэтому, чтобы описать их свойства, недостаточно законов классической физики.

4) Это просто интересно:

…Замедление времени… Так ведь и до машины времени недалеко. И какие открываются перспективы!..

2. АКТУАЛИЗАЦИЯ ОПОРНЫХ ЗНАНИЙ

Но прежде нам нужно вспомнить всё, что вы знаете об относительности движения.

- Как вы понимаете выражение: движение и покой относительны?

(Относительно разных сред обитания тело может и покоиться, и двигаться).

- Понятие относительности невозможно вспомнить, не упомянув о законе сложения скоростей.

- Приведите пример из жизни, который иллюстрировал бы закон сложения скоростей. (Эскалатор).

- Увенчать наши «воспоминания» следует принципом относительности Галилея.

Кто помнит, в чём он заключается?

(Все физические явления во всех ИСО протекают одинаково).

- Как это понимать?

- Т. е., если мы будем рассматривать какие-либо физические явления (например, падение яблока со стола), то и на поверхности Земли, и в движущемся равномерно и прямолинейно поезде это явление будет протекать одинаково.

- Вспомнили всё, что нам пригодится при изучении новой темы.

- Но я считаю, что прежде, чем приступить к дальнейшей работе, нужно сделать несколько упражнений для улучшения мозгового кровообращения, т. е. чтобы голова лучше работала.

3. ФИЗКУЛЬТМИНУТКА

И.п. - сидя, руки на поясе. 1 - поворот головы направо, 2 - и.п., 3 - поворот головы налево, 4 - и.п. Повторить 6-8 раз. Темп медленный (для улучшения мозгового кровообращения).

4. ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

- Приступим?!

- И начинаем мы с самого начала: с истории создания теории относительности.

- Галилей сформулировал принцип относительности в 17 в. и долгое время он считался верным, т. к. все законы и принципы классической механики очень хорошо объяснялись с его помощью.

- Так было вплоть до конца 19 в., когда очень быстрыми темпами начала развиваться электродинамика. И вдруг выяснилось, что законы электродинамики не подчиняются принципу относительности Галилея. Этот факт вызвал настоящий научный шок.

Чтобы вам стало понятно, в чём заключалась проблема, приведу достаточно простой пример.

Рассмотрим точечный заряд q, который расположен на некотором расстоянии от заряженного проводника. Ясно, что заряд и проводник будут взаимодействовать с некоторой силой.

Для наблюдателя, связанного с неподвижной системой отсчета, всё выглядит именно так.

Но если этот наблюдатель начнёт перемещаться вдоль проводника, т. е. будем рассматривать подвижную систему отсчета, то окажется, что относительно него заряды, которые находятся в проводнике - движутся, причем все в одном направлении.

А направленное движение заряженных частиц - это что такое? (Электрический ток).

- Т. о. получается, что для наблюдателя, который движется, в проводнике течёт электрический ток.

- А вокруг любого проводника с током какое поле всегда возникает? (магнитное)

Это значит, что на заряд q кроме электрической силы действует ещё и магнитная сила.

- Следовательно, для наблюдателей, связанных с разными системами отсчёта, одно и то же явление протекает по-разному.

Ясно, что принцип относительности Галилея, который справедлив в рамках классической механики, неприменим в электродинамике.

Самой главной ошибкой ученых того времени было то, что электромагнитные явления они пытались трактовать с позиций механики.

Например, считалось, что если для распространения звуковых волн необходимо наличие среды, то и для распространения света тоже необходима среда.

Кроме того рассуждали так: если скорость звука в воздухе 330 м/с, в воде - 1450 м/с, а в стали уже 5000 м/с, то получается, что чем жёстче среда, тем больше скорость волны.

Значит, для распространения ЭМВ со скоростью 3∙10⁸ м/с необходима среда необычайной жёсткости.

Существование такой среды предположили, а проще говоря, её выдумали, и назвали «эфир».

Впервые гипотезу о существовании эфира, который заполняет всё пространство, выдвинул Гюйгенс.

К эфиру предъявляли большие требования. Мало того, что он должен обладать большой жёсткостью, он ещё должен быть невидим и невесом, т. к. его никто не видел и взвесить его тоже не удавалось.

Кроме того, эфир должен был свободно проникать в различные среды, т. к. ЭМВ могут распространяться не только в вакууме, но и практически во всех средах.

И, само собой, как и любая среда, эфир должен оказывать какое-то влияние на движение света. В частности, движение эфира должно изменять скорость света.

Однако, экспериментальные данные опровергли возможность движения эфира. Тогда была выдвинута следующая гипотеза: эфир неподвижен.

Вспомните, когда вы стоите в безветренную погоду, вы ничего не чувствуете, а когда начинаете бежать, то вас начинает обдувать ветром.

Поэтому предположили, что Земля при движении в эфире должна ощущать такой вот «эфирный ветер».

Для разрешения проблемы была предложена схема эксперимента, позволявшего с помощью интерференции обнаружить «эфирный ветер».

Для этого эксперимента, который в 1887 г. провели Майкельсон и Морли, была построена специальная установка.

Она состояла из массивной каменной платформы площадью 2,25 м. кв. и толщиной более 30 см, которая плавала в бассейне со ртутью. На этой платформе была собрана оптическая схема, которую потом стали называть интерферометр Майкельсона.

(Рассказ о схеме опыта)

- На экране появляется интерференционная картина, обусловленная разностью хода световых лучей.

- Если повернуть платформу на 90 градусов относительно движения Земли, интерференционная картина должна сместиться.

- Однако этого не произошло, хотя эксперименты повторялись в разное время суток и в различные времена года.

- Т. о., существование «эфирного ветра» не было обнаружено.

-Отрицательный результат был величайшей загадкой для всех учёных.

Выдвигались различные идеи, гипотезы, но всё было безрезультатно до тех пор, пока в начале 20 в. молодой тогда учёный Альберт Энштейн не предположил, что нужно изменить каким-то образом законы механики. Это нашло отражение в его новой теории, с основными положениями которой вы познакомитесь на следующем уроке.

5. ФИЗКУЛЬТМИНУТКА

1. Быстро поморгать, закрыть глаза и посидеть спокойно, медленно считая до 5. Повторить 4-5 раз (для снятия глазной усталости).

2. Посмотреть на указательный палец вытянутой руки на счёт 1-4, потом перенести взор вдаль на счёт 1-6. Повторить 4-5 раз.

6. ЗАКРЕПЛЕНИЕ МАТЕРИАЛА

1. Что изучает СТО?

2. В чем заключается принцип относительности Галилея?

3. Что послужило толчком для создания специальной теории относительности?

4. Какой смысл вкладывался в понятие «эфир»?

5. Какие требования предъявлялись к эфиру?

6. Что хотел доказать Майкельсон своим экспериментом?

7. В чем была историческая важность эксперимента Майкельсона - Морли?

7. ЗАДАНИЕ НА ДОМ

Параграф 22.

8. РЕФЛЕКСИЯ

(Сигнальные карточки)

1. Как вы чувствовали себя во время урока?

2. Комфортно ли вам было на уроке?

3. Как вы оцениваете свой уровень усвоения изученного материала?

- Спасибо за урок. До свидания!