План-конспект урока 'Постулаты теории относительности. Опыт Майкельсона-Морли', 11 класс

План-конспект урока по физике в 11 «Ф» классе

Дата: 11.12.13

Класс: 11 «Ф» ( 2 группа).

Учитель: Махметова Гульнар Какауевна

Школа-лицей № 60, г. Астана

Тема: Принцип относительности в механике. Опыты Майкельсона и Морли. Постулаты теории относительности.

Цель: Ознакомить учащихся с классическими понятиями пространства и времени и экспериментальными основами СТО (специальной теории относительности).
Задачи:
Образовательные:

• раскрыть физический и философский смысл постулатов Эйнштейна, а также сущность и свойства релятивистского понятия пространства и времени.

• создать условия для ознакомления необходимости создания новой теории Эйнштейном «Специальной теории относительности»;

• создать условия для ознакомления постулатов теории теории относительности;

Воспитательные:
Познакомить учащихся с современными представлениями понятия пространства и времени, способствовать выработке у них диалектико-материалистического мировоззрения.
Развивающие:

• развивать умения использовать полученные знания для объяснения явлений;

Оборудование: Интерактивная доска, научно-популярный фильм «Искривление времени»;

Видеофрагмент «Опыт Майкельсона-Морли»; карточки с планами «Физический опыт»,

«Физическая теория».

Тип урока: комбинированный, урок введения новых знаний

Формы работы: фронтальный опрос, индивидуальная, в парах.

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.
Примечание: урок-пара (80 мин.)

Ход урока

I. Вводно-мотивационный этап. Время: 15 мин.

Актуализация опорных знаний, фронтальный опрос.

Деятельность учителя

Деятельность учащихся, примерные ответы

Какие системы отсчета называются инерциальными? (ИСО)

системы отсчета, в которых выполняется первый закон Ньютона - закон инерции.

Какие системы отсчета называются неинерциальными? (НСО)

Системы, которые вращаются или ускоряются неинерциальные.

Приведите примеры ИСО

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.

Приведите примеры НСО

Любое вращающееся тело, тело , движущееся по окружности, поезд, отходящий от станции и др.

Какие величины называются инвариантными?

Физические величины, которые при переходе из одной системы отсчета в другую остаются неизменными (стр. 178 учебника к § 5.1)

Приведите примеры инвариантных величин в кл.механике Ньютона

Масса, перемещение, время, ускорение

Приведите примеры неинвариантных величин

Скорость, импульс, координата

Сформулировать принцип относительности Галилея

Все механические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета, т. е. ИСО равноправны

Запишите классическую формулу сложения скоростей

В точки равна сумме её и :

- закон сложения скоростей

Сформулировать закон сложения скоростей

Скорость движения тела относительно неподвижной системы отсчёта равна векторной сумме скорости этого тела относительно подвижной системы отсчета и скорости (относительно неподвижной системы) той точки подвижной системы отсчёта, в которой в данный момент времени находится тело

Проблемный вопрос: Можно ли применить закон сложения скоростей для света?

Учащиеся затрудняются ответить (т. к. имеющиеся знания недостаточны)

Таким образом, выходим на новую тему через логическую схему (которая известна учащимся из предыдущих уроков). Создаю целевое пространство, т.е. учащиеся ставят по теме урока образовательные цели (по желанию).

противоречие (проблема)→ гипотеза → новые законы → новая теория

II. Операционально-деятельностный этап. Время: 57 мин.

Работа с учебником: стр. 178 «Наблюдения за двойными звездами», время: 5 мин.

Вывод (делают учащиеся): скорость света не подчиняется классическому закону сложения скоростей.

Объяснение учителя. Время: 7 мин.

Учитель: Теория относительности возникла не случайно, а явилась закономерным итогом предшествующего развития физической науки. новая теория не отменяет старой, а включает её в себя как частный, предельный случай. 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 = 300000000м/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.

Просмотр видеофильма «Опыт Майкельсона - Морли», время: 5 мин.

Объяснение учителя. Время: 5 мин.

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. Просмотр видеофрагмента ««Искривление времени». Время: 15 мин.

Микровыводы из увиденного фильма. Время: 5 мин.

Запись опорных конспектов в тетрадь. Время: 5 мин.

4. Рефлексия, закрепление новой темы - решение тестов. Время: 7 мин.

Тест «Элементы теории относительности»

Вариант 1.

1. Какие из приведенных ниже утверждений являются постулатами специальной теории относительности: 1 все процессы природы протекают одинаково в любой системе отсчета; 2 все процессы природы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета.

А. Только 1; Б. Только 2; В. Ни 1 ни 2.

2. Понятие одновременности событий является:

А. Неабсолютным; Б. Абсолютным.

3. Из уравнений Максвелла следует, что скорость распространения световых волн в вакууме по всем направлениям:

А. Различна по величине; Б. Одинакова; В. Зависит от цвета; Г. Зависит от источника света .

4. Два автомобиля движутся в одном и том же направлении со скоростями υ₁ и υ₂ относительно поверхности Земли. Чему равна скорость света фар первого автомобиля в системе отсчета, связанной с другим автомобилем?

А. с; Б. с + (υ₁ + υ₂ ); В. с + (υ₁ - υ₂ ); Г. с - (υ_{1 +} υ₂ ); Д. с - (υ₁ - υ₂ ).
5. Можно ли какими-либо механическими опытами установить, покоится инерциальная система отсчета или движется прямолинейно и равномерно?

А. Можно, если скорость инерциальной системы отсчета небольшая; Б. Можно для любой скорости
В. Нельзя.

Вариант 2

1. Может ли время в одной системе отсчета протекать иначе, чем в другой?

А. да; Б. нет.

2. Зависит ли одновременность двух событий от системы отсчета, связанной с наблюдателем?

А. да; Б. нет.

3. Какие из приведенных ниже утверждений являются постулатами специальной теории относительности? 1. Скорость света в вакууме одинакова для всех инерциальных систем отсчета; 2. Скорость света в вакууме является предельной, максимальной скоростью.

А. Только 1; Б. Только 2; В. 1 и 2; Д. ни 1 ни 2.

4. Два автомобиля движутся в противоположных направлениях со скоростями υ₁ и υ₂ относительно поверхности Земли. Чему равна скорость света фар первого автомобиля в системе отсчета, связанной с другим автомобилем?

А. с + (υ₁ + υ₂ ); с; Б. с + (υ₁ - υ₂ ); В. с - (υ_{1 +} υ₂ ); Г. с - (υ₁ - υ₂ ); Д. с.

5. Промежуток времени, измеренный в системе, которая условно принята за неподвижную, называется....?
А. Собственным временем; Б. Релятивистским временем; В. Относительным временем; Г. Специальным временем.

Взаимопроверка. Время: 3 мин.

Вариант

Номер вопроса

1

2

3

4

5

Вариант 1

Б

А

Б

А

В

Вариант 2

А

А

В

Д

А

Критерии оценивания: «5» - 5 баллов

«4» - 4 балла

«3» - 3 балла

«2» - 2 балла

5. Разбор вопросов теста, анализ ошибок. Время: 5 мин.

III. Рефлексивно-оценочный этап. Время: 8 мин.

6. Итоги урока (учащиеся делают выводы за урок, по желанию). Время: 5 мин.

7. Выставление оценок в журнал.

Всего в классе: 25 учащихся, в группе: 13 человек

За урок: «5» - 3

«4» - 6

«3» - 4

8. На дом: § 5.1 - 5.2. Время: 3 мин. (инструктаж по домашнему заданию).

1) Опережающее задание: написать рассказ «Теория относительности Эйнштейна» по плану «Физическая теория»;

2) рассказ «Опыт Майкельсона-Морли» по плану «Физический опыт».