РЕЛЯТИВИСТСКАЯ МЕХАНИКА

Урок № 4

Тема. Итоговый урок по теме «Релятивистская механика»

Цель: обобщить и углубить знания учащихся по изученной теме; сформировать у учащихся осознание узнаваемости мира; установить связи микро - и макромира на основе рассмотрения теории относительности в астрономии и атомной физике; формировать у учащихся представление о роли науки в жизни общества, значение общественной позиции ученого; умение работать с дополнительной литературой.

Тип урока: урок обобщения и систематизации знаний.

Оборудование: портреты Г. Галилея, И. Ньютона, А. Эйнштейна, тестовые задания.

Наука - это драма, драма идей.

А. Эйнштейн

И в сфере звезд, и в облике планет

На атомы Вселенная крошится,

Обрываются связи все,

Все в куски дробится,

Основы расшатались,

И все для нас стало относительным.

Д. Донн

ХОД УРОКА

И. Мотивация учебной деятельности

Вступительное слово учителя.

- Мы с вами заканчиваем изучение темы «Релятивистская механика».

Сегодня итоговый урок, на котором должны повторить изученный материал, дополнить новыми знаниями, которые вы получили самостоятельно, работая с дополнительной литературой.

На нашем уроке царят такие законы сотрудничества:

• закон четкости;

• закон времени;

• закон толерантности.

Поэтому прошу всех принять активное участие в обсуждении следующих вопросов:

1. Как исследования Галилея касающиеся теории относительности?

2. Что Ньютон сделал для классической механики?

3. Какие были предпосылки возникновения СТВ?

4. В чем заключается гениальность Эйнштейна?

5. Какие вы можете привести доказательства подтверждения справедливости СТВ?

II. Повторение и систематизация знаний

Учитель. Какое исследование Галилея касается теории относительности?

Ученик. Физика как наука берет свое начало от Галилея. Глубокие размышления над видами движения привели Галилея к принципу относительности. Например, путешественник, который находится в каюте корабля, плывущего, может считать, что книга, которая лежит на его столе, находится в состоянии покоя. Однако человек на берегу видит, что корабль плывет, поэтому можно считать, что книга движется с той же скоростью, что и корабль.

На вопрос, движется ли книга на самом деле, или находится в состоянии покоя, однозначно ответить нельзя. Ответ зависит от того, что мы возьмем за тело отсчета. Если принять точку зрения путешественника, то книжка находится в состоянии покоя. Если рассматривать ситуацию с точки зрения человека, стоящего на берегу, то книжка движется.

Учитель. Какое же формулируется механический принцип относительности Галилея и что из него следует?

Ученик. Содержание принципа относительности Галилея заключается в том, что никакими механическими опытами нельзя установить, находится ИСВ в состоянии покоя или движется равномерно и прямолинейно.

Относительными также является скорость и перемещение.

Учитель. В чем заключалась заслуга Ньютона в дальнейшем развитии механики? Почему О. Поуп писал о нем: «Был мир окутан тьмой. Да будет свет! И вот явился Ньютон».

Ученик. И. Ньютон обобщил открытия Галилея в виде первого закона - закона инерции, добавил второй и первый законы механики, закон всемирного тяготения.

На основе этих законов была создана всеобъемлющая система взглядов на мир. Законы объясняли движение планет, приливов и отливов и даже едва заметную прецессию земной оси с периодом 26000 лет.

Законы Ньютона нельзя рассматривать вне пространства и времени. В классической механике считается, что время течет одинаково во всех ИСВ, пространственные масштабы и массы тел во всех ИСВ одинаковые. То есть пространство, время, масса - абсолютные понятия, которые не зависят от выбора ИСВ.

Эта фундаментальная теория протяжении двух столетий определяла развитие физической науки.

Учитель. Кто впервые определил скорость света?

Ученик. В 1676 г. датский астроном О. Ремер во время изучения затмений одного из спутника Юпитера сравнил результаты двух наблюдений: когда расстояние между Юпитером и Землей была минимальной и когда расстояние было максимальным. Для скорости света достал значения 227 000 км/c. Современные измерения дали значение 300 000 км/c.

Учитель. Вспомните, в чем заключается опыт Майкельсона и каким был его результат.

Ученик. Майкельсон и Морли с помощью явления интерференции сравнивали скорости распространения света вдоль движения Земли и в перпендикулярном направлении. Согласно теореме сложения скоростей, они не должны быть одинаковыми. Но скорость света оказалась одинаковой, то есть не зависела от движения Земли, что противоречило законам классической механики.

Учитель. Какой же выход из данной ситуации был предложен А. Эйнштейном?

Ученик. Чтобы согласовать теорию и результаты экспериментов, было создано новую механику для скоростей, приближенных к скорости света в вакууме, которую назвали релятивистской механикой. Эта механика не опровергала классической механики, но устанавливала границы ее применения. В основу были положены постулаты Эйнштейна.

• Принцип относительности. Все процессы природы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета.

• Принцип постоянства скорости света. Скорость света в вакууме одинакова для всех ИСВ, она не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала.

Учитель. Как представлял Эйнштейн пространственные размеры и время? Ученик. Линейные размеры тел в движущихся системах уменьшаются:

Время в движущихся системах течет медленнее:

Учитель. Какой есть масса в СТВ? Почему знаменитая формула E = mc2, по словам М. Борна, «является звеном, связывающим физику и политику?»

Ученик. Формула E = mc2 стала основой для всей ядерной физики, дала возможность вычислить энергию ядер атомов. По ней можно рассчитать количество ядерного топлива для ледокола, реактора.

Но сама эта формула указывает, сколько атомного топлива необходимо вместить в бомбу, чтобы разрушить город.

Учитель. Как Эйнштейн реагировал на трагическую реализацию своего великого открытия?

Ученик. 6 августа 1945 года на японский город Хиросиму американцы сбросили первую атомную бомбу . Весь мир был потрясен масштабами трагедии. Эйнштейн тяжело переживал эти события и до самой смерти призвал к миру и борьбы против атомной войны.

Учитель. Приведите пример подтверждения теории относительности.

Ученик:

1. При прохождении света вблизи больших масс должно наблюдаться искривление лучей. Во время полного солнечного затмения в 1919 г. участники Международной экспедиции сфотографировали звездное небо в момент затмения. Сравнивая эти фотографии с предыдущими, обнаружили, что звезды сместились. Это результат смещения световых лучей от зрение при прохождении их вблизи Солнца.

2. Доказано, что во время движения планет вокруг Солнца их орбиты возвращаются.

3. В 30-е годы ХХ в. было открыто явление «разбегания галактик».

4. Доказано существование гравитационных волн.

5. В верхних слоях атмосферы Земли под воздействием космических лучей образуются п-мезоны, которые живут в течение очень короткого времени - 2·10-8 c . Следовательно, если п-мезон будет лететь даже со скоростью, близкой к скорости света, то за это время он успеет пролететь не более 6 м. Но эти части были обнаружены у поверхности Земли, пролетев, не распадаясь, расстояние более 30 км. Это можно объяснить только замедлением времени.

III. Проверка знаний

Самостоятельная работа. Прием «На вкус и цвет». Учащиеся выбирают тот уровень, что им под силу.

Начальный уровень

1. Два автомобиля движутся в одном и том же направлении со скоростями 1 и 2 относительно поверхности Земли. Чему равна скорость света от фар первого автомобиля в системе отсчета, связанной с другим автомобилем? Укажите все правильные ответы:

2. Обозначим через l0 длину стержня в системе отсчета K, относительно которой стержень неподвижен. В системе отсчета, относительно которой он движется, длина стержня l . Укажите все правильные утверждения.

3. Какой из приведенных ниже выражений представляет энергию покоя системы? Укажите все правильные ответы.

Средний уровень

1. Две фотонные ракеты удаляются друг от друга со скоростью 0,65 с относительно земного наблюдателя. Чему равна относительная скорость ракет? (Ответ: 0,912 с.)

2. Чему равна длина метрового стержня (для земного наблюдателя), движущегося со скоростью 0,6 с?

3. Масса поезда 2000 т. На сколько увеличивается его энергия во время подъема на мост высотой 25 м?

Достаточный уровень

1. Две ракеты движутся навстречу друг другу со скоростями 1 = 2 = 0,75 c относительно неподвижного наблюдателя. Найдите скорость сближения ракет по классической и релятивистской формулам сложения скоростей.

2. С какой скоростью относительно Земли должен двигаться космический корабль, чтобы его продольные размеры для земного наблюдателя были в 2 раза меньше за настоящие?

3. Чайник, куда налито 2 кг воды нагрели от 10 °С до кипения. На сколько изменилась масса воды?

IV. Итоги урока

Учитель еще раз обращает внимание на эпиграф урока.

Ученики делают выводы о понятии относительности с точки зрения физики и как философского понятия.

V. Домашнее задание

Составить кроссворд по изученной теме.