Урок по физике: "Относительность времени и пространства в физике и в жизни человека". 11-й класс

Цель урока: Изучение основных следствий из постулатов специальной теории относительности.

Планируемые образовательные результаты.

Предметные:

• повторить и обобщить знания учащихся о физическом содержании постулатов теории относительности;
• изучить основные следствия из постулатов СТО;
• дать понятие о релятивистских эффектах;
• научить учащихся применять следствия из постулатов СТО для решения задач.

Метапредметные:

Познавательные:

• находить ответы на вопросы, используя эксперимент, свой жизненный опыт и информацию, полученную на уроке.

Коммуникативные:

• организовывать и планировать учебное сотрудничество с учителем и сверстниками;
• распределять функции участников групповой работы;
• развивать умения: устной монологической речи (при индивидуальном ответе) и диалога/полилога (при обсуждении в группах).

Регулятивные:

• развивать у учащихся мышление (умение анализировать, сравнивать, строить    аналогии, делать умозаключения);
• развивать общеучебные умения: пользоваться учебником, заполнять таблицы.

Личностные:

• воспитание чувства товарищеской взаимовыручки, этики групповой работы;
• овладение синтезом составления целого из частей;
• умение устанавливать причинно-следственные связи;
• формирование осознанного отношения друг к другу;
• формирование ответственного отношения к обучению, готовности и способности к саморазвитию и самообразованию;
•  давать эмоциональную оценку своей деятельности на уроке.

Методы обучения: объяснительно-иллюстративный, репродуктивный, частично-поисковый.

Форма организации урока: беседа, практикум.

Тип урока: изучение нового материала.

Средства обучения:

• учебник Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. «Физика.11»;
• опорная таблица «Кинематика СТО»;
• тест «Постулаты теории относительности»;
• практическая часть «Решение задач»;
• лист самооценки.

Формы организации познавательной деятельности:

• фронтальная (фронтальная беседа);
• групповая (учебные дебаты, решение качественных задач);
• индивидуальная (выполнение теста, решение задач).

Приемы реализации методов:

• интонационное выделение учителем логически важных моментов изложения;
• ответы на поставленные вопросы;
• самостоятельная работа с учебником;
• составление опорной таблицы;
• задание учащимся на осмысление изученных знаний.

Ход урока

I. Этап создания проблемной ситуации (мотивационный этап) (духовно-нравственная ситуация).

Эпиграф урока:

«Мы знаем: время растяжимо.
Оно зависит от того,
Какого рода содержимым
Вы наполняете его»

Эффект трех минут:

Первая минута: учащиеся спокойно сидят на уроке 1 минуту.  (Отсчет времени)

Вторая минута: учащиеся просматривают 1 минуту видеоролик. (Видеоролик 2)

Третья минута: учащиеся решают задачу на прямолинейное равномерное движение.

Условие: самолет, летящий со скоростью 900 км/ч, совершает посадку. Время до полной остановки самолета 25 с. Необходимо определить длину взлетной полосы.

Какая минута была самой продолжительной и почему?

(Высказывания учащихся. Делают вывод)

Что же происходит в мире за одну минуту? (Видеоролик 3)

Проводится учебная игра «Дебаты»: Тезис «Человек - хозяин своего времени». (1 минута посоветоваться, 1 минута для аргументов, 1 минута основные выводы)

1 группа: ЗА

2 группа: ПРОТИВ.

Итак, подводя итог нашим рассуждениям, мы пришли к выводам о том, что время относительно.

А бывает в реальности, что время относительно? И как ответить на этот вопрос с точки зрения физики?

Мы рассмотрим сегодня на уроке относительность времени и пространства в физике и в жизни человека.

Видеоролик 4. фильма «Москва-Кассиопея»

II. Изучение нового материала

Сегодняшний урок посвящен специальной теории относительности Эйнштейна. СТО – новое учение о пространстве и времени, пришедшее на смену старым (классическим) представлениям.

Теория относительности представляет собой систему современных взглядов на пространство и время.

Согласно классическим представлениям о пространстве и времени, считавшимся на протяжении веков незыблемыми, движение не оказывает никакого влияния на течение времени (время абсолютно), а линейные размеры любого тела не зависят от того, покоиться ли тело или движется (длина абсолютна).
Развитие электродинамики привело к пересмотру представлений о пространстве и времени.

1. Возникновение СТО.

После того, как во второй половине 19 века, Максвелл сформулировал основные законы электродинамики, ученые осознали, что принцип относительности Галилея сложно применить к электромагнитным явлениям. Возник вопрос: протекают ли электромагнитные процессы одинаково во всех инерциальных СО?

Согласно законам электродинамики: с=3·108 м/с. Исходя из законов сложения скоростей механики Ньютона, скорость света может равняться только в одной избранной системе отсчета.

СТО появилась в результате возникшего противоречия между электродинамикой Максвелла и механикой Ньютона.

1. Что понимается в физике под «системой отсчета»?
2. Какие системы отсчета называются инерциальными и неинерциальными?
3. В чем заключается принцип относительности Галилея?
4. Основные положения электродинамики Максвелла?

Возможные выходы из противоречия:

1. несостоятельность принципа относительности (Х.Лоренц)
2. несостоятельность формул Максвелла (Г.Герц)
3. отказ от классических представлений о пространстве и времени, сохранение принципа относительности и законов Максвелла (А.Эйнштейн)

Единственно правильной оказалась именно третья возможность. Последовательно развивая ее, А.Эйнштейн пришел к новым представлениям о пространстве и времени. Первые два пути, как оказалось, опровергаются экспериментом.

2. Постулаты СТО.

В основе теории относительности лежат два постулата.

1) Понятие постулата в науке.

Постулат в физической теории играет ту же роль, что и аксиома в математике. Это – основное положение, которое не может быть логически доказано. В физике постулат есть результат обобщения опытных фактов.

2) Постулаты СТО.

1. Принцип относительности Эйнштейна: все процессы природы протекают одинаково во всех ИСО.
2. Второй постулат: скорость света в вакууме одинакова для всех ИСО. Она не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала

Видеофрагмент 5

До начала 20 века никто не сомневался, что время абсолютно. Два события, одновременные для жителей Земли, одновременны для жителей любой другой космической цивилизации. Создание ТО показало, что это не так.

3. Следствия СТО.

1. Относительность одновременности: два пространственно разделенных события, одновременные в одной ИСО, могут не быть одновременными в другой ИСО.

При переходе из одной СО в другую может изменяться последовательность событий во времени, однако последовательность причинно-следственных событий остается неизменной во всех СО: следствие наступает после причины.

Причиной относительности одновременности является конечность скорости распространения сигналов.

2. Относительность расстояний (релятивистское сокращение размеров тела в движущейся СО): длина движущегося предмета сокращается в направлении движения.

(1)

l – длина покоящегося тела;

l₀ – длина движущегося тела;

υ – скорость его движения в данной СО.

(релятивистскими называются эффекты, наблюдаемые при скоростях движения, близких к скорости света)

Размеры предметов в направлении, перпендикулярном направлению движения, не изменяются.

3. Относительность промежутков времени: ход движущихся часов замедляется.

(2)

τ₀ – интервал времени, измеренный часами, покоящимися в той СО, где оба события произошли в одной и той же точке пространства.

τ – интервал времени между двумя событиями, измеренный движущимися часами.

Время на космическом корабле, летящем с постоянной скоростью, протекает медленнее, чем на «неподвижной» Земле. Но космонавт никаким образом не может подметить эти изменения, т.к. и все процессы внутри корабля, которые могли бы служить мерилом измерения времени, замедлены в том же отношении. Биение сердца и все функции организма тоже происходят в замедленном темпе. Если скорость движения приближается к скорости света, то путешествие до туманности Андромеды займет 29 лет. Но по земным часам пройдет почти 3 миллиона лет.

Если υ << с, то в формулах (1) и (2) можно пренебречь величиной υ²/с². Тогда l≈l₀ и τ≈τ₀, т.е. релятивистское сокращение размеров тел и замедление времени в движущейся СО можно не учитывать.

4. Релятивистский закон сложения скоростей (направленных вдоль одной линии)

υ₁ – скорость тела в 1-й СО;

υ₂ – скорость тела во 2-й СО;

υ – скорость движения 1-й СО относительно 2-й.

При υ1, υ<<с получаем υ₂= υ₁+ υ, т.е. закон сложения скоростей в классической механике.

Если υ=с (т.е. речь идет о распространении света), получаем υ₂=с, что соответствует второму постулату СТО.

III. Закрепление и применение полученных знаний для решения задач

Задача

Посчитать, на сколько мы сможем замедлить время, если будем мчаться на космическом корабле со скоростью 0,8с? Сколько будет длиться урок, если на Земле он 40 минут?

Дано: τ=40мин υ=0,8с	СИ 2400с
τ0 – ?

Решение

Ответ: 24 мин.

IV. Подведение итогов

Домашнее задание: §75-78, упр. 11(4).

Видеоролик 6.

Рефлексия

• Что я могу сделать за 1 минуту?

Приложение.