Конспект урока физики 11 класс "Специальная теория относительности"

Класс 11 Дата проведения____________

Тема урока: Решение задач по теме «Специальная теория относительности»

Значение теории относительности
простирается на все процессы природы, 
начиная от радиоактивности, волн и корпускул,
излучаемых атомом, и вплоть до движения 
небесных тел, удаленных от нас на миллионы лет.
Макс Планк

Тип урока: комплексного применения знаний и способов деятельности.

Цели урока: организовать деятельность учащихся по комплексному применению знаний (сущности СТО, постулатов и следствий из СТО, формул релятивистской длины, массы, времени, импульса, энергии, релятивистского закона сложения скоростей) и способов деятельности (вычисления значений величин по формулам, преобразования формул, объяснения физических явлений на основе знаний постулатов и следствий СТО),

совершенствовать вычислительные навыки, навык перевода единиц физических величин в СИ, навык преобразования формул, навык решения задач в общем виде;

создать условия для развития мышления, коммуникативных навыков, навыков самостоятельной работы (умение работать во времени, анализировать условие, самоконтроль),

применить дифференцированный подход в обучении,

воспитывать культуру умственного труда.

Задачи

Обучающие:

• 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.

Развивающие:

• развивать у учащихся мышление (умение анализировать, сравнивать, строить аналогии, делать умозаключения);

• развивать общеучебные умения: пользоваться учебником, заполнять таблицы;

• развивать коммуникативные умения: устной монологической речи (при индивидуальном ответе) и диалога/полилога (при обсуждении в группах).

Воспитательные:

• воспитывать мировоззренческое понятие о познаваемости мира;

• воспитывать чувство само- и взаимоуважения при работе в группах;

• воспитывать в учениках средствами урока уверенность в своих силах, чувство ценности интеллектуального труда.

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

План

1. Организационный этап.

2. Этап актуализации опорных знаний.

3. Этап комплексного применения знаний на практике.

4. Этап рефлексии

5. Этап подведения итогов урока. Выставление оценок.

6. Этап информации о домашнем задании.

Ход урока:

1. Организационный этап.

Давайте оценим наше настроение, ощущения на начало урока по шкале, которая представлена на карточках, лежащих перед Вами.

1. Этап актуализации опорных знаний.

Учитель задаёт вопросы

- В чем сущность СТО?

Специальная теория относительности (СТО; также частная теория относительности) — теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при произвольных скоростях движения, меньших скорости света в вакууме, в том числе близких к скорости света. В рамках специальной теории относительности классическая механика Ньютона является приближением низких скоростей. Обобщение СТО для гравитационных полей называется общей теорией относительности.

Описываемые специальной теорией относительности отклонения в протекании физических процессов от предсказаний классической механики называют релятивистскими эффектами, а скорости, при которых такие эффекты становятся существенными, — релятивистскими скоростями

- Сформулируйте постулаты СТО.

1 принцип относительности.

Все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой (протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета).

Это означает, что во всех инерциальных системах физические законы (не только механические) имеют одинаковую форму. Таким образом, принцип относительности классической механики обобщается на все процессы природы, в том числе и на электромагнитные. Этот обобщенный принцип называют принципом относительности Эйнштейна.

2 принцип относительности.

Скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Скорость света в СТО занимает особое положение. Это предельная скорость передачи взаимодействий и сигналов из одной точки пространства в другую

Два ученика на доске записывают:

- Следствия из постулатов СТО: формулы релятивистских массы, длины, времени, импульса и энергии, закон сложения скоростей

Оставшиеся учащиеся выполняют индивидуальное задания по вариантам (тест)

ТЕСТ

I вариант

1. Укажите, какие из приведенных ниже утверждений являются постулатами теории относительности: 1) все процессы природы протекают одинаково в любой ИСО; 2) скорость света в вакууме одинакова для всех ИСО; 3) все законы природы имеют разную математическую форму в разных ИСО; 4) скорость света зависит от выбора СО.

А) Только 1; Б) только 2; В) только 3; Г) 1 и 2; Д) 3 и 4 .

2. Кто утверждал, что все ИСО равноправны, и во всех ИСО не только механические, но и все другие физические законы имеют одинаковую форму?

А) Г.Галилей; Б) И.Ньютон; В) А.Эйнштейн.

3. Укажите правильное утверждение:

А) принцип относительности в классической физике распространяется на все законы природы, а в релятивистской - только на законы механики;

Б) принцип относительности в одинаковой степени распространяется как на релятивистскую, так и на классическую физику;

В) релятивистский принцип относительности распространяется на все законы природы, а классический принцип относительности распространяется только на законы механики.

4. Понятие одновременности событий является:

А) абсолютным; Б) относительным.

5. Некоторая звезда удаляется от Земли со скоростью V. Свет, испущенный этой звездой, приходит на Землю со скоростью:

А) с; Б) с - V; B) с + V.

Ответы:

__________________________________________________________________________

ТЕСТ

II вариант

1. Укажите правильное утверждение:

А) ИСО – это система отсчета, относительно которой тела движутся с постоянным ускорением;

Б) ИСО – это система отсчета, относительно которой свободные тела движутся с постоянной скоростью;

B) ИСО – это система отсчета, относительно которой тела движутся равнозамедленно.

2. Кем создано учение о пространстве и времени – специальная теория относительности?

А) Г.Галилеем; Б) И.Ньютоном; В) А.Эйнштейном.

3. Укажите правильное утверждение:

А) в классической физике скорость взаимодействия тел конечна и равна скорости света в вакууме, в релятивистской физике скорость взаимодействия мгновенная;

Б) в классической физике скорость взаимодействия тел считается мгновенной, в релятивистской физике существует максимальная конечная скорость взаимодействия - скорость света в вакууме.

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

А) да; Б) нет.

5. Два автомобиля движутся навстречу друг другу. Скорость каждого относительно Земли равна V. Чему равна скорость света фар первого автомобиля в системе отсчёта, связанной со вторым автомобилем? Скорость света в системе отсчёта, связанной с Землёй, равна с.

А) с; Б) с + V; В ) с + 2 V ; Г ) с - V ; Д ) с - 2 V.

Ответы:

3. Этап комплексного применения знаний на практике.

1) Фронтальное решение задачи.

Класс делится на две группы, каждая из которых получает своё задание. Обучающиеся в группах проводят исследование проблем, представленных в задачах. В итоге они должны представить решение данных задач.

Группа 1

Часть I.

"Одинокий велосипедист показался вдали и стал медленно приближаться. Когда он подъехал поближе, мистер Томпкинс вытаращил глаза от изумления: и велосипед, и восседавший на нём молодой человек были невероятно сокращены в направлении движения, как будто их рассматривали через цилиндрическую линзу. Часы на башне пробили пять, и велосипедист, по-видимому, куда-то спешивший, приналёг на педали. Мистер Томпкинс не заметил, чтобы скорость от этого прибавилась, но усилия велосипедиста не прошли бесследно: он сократился  ещё сильнее и отправился дальше, в точности напоминая картинку, вырезанную из картона. Тут мистер Томпкинс ощутил прилив гордости, ибо ему было совершенно ясно, что происходило с велосипедистом".

ВОПРОС: Что же произошло с велосипедистом? ( Дайте объяснение с точки зрения СТО)

Ответ: релятивистское сокращение длины движущегося тела или масштаба — предсказываемый релятивистской кинематикой эффект, заключающийся в том, что с точки зрения наблюдателя движущиеся относительно него предметы имеют меньшую длину (линейные размеры в направлении движения), чем их собственная длина. 

Часть II.

1. Длина авторучки в космическом корабле, движущемся со скоростью 0,8 с, равна 15 см. Найдите длину авторучки относительно неподвижной системы отсчета.

1. Какое следствие СТО используют для решения задачи (записать)

Сокращение длины

1. Решить задачу.

Решение:

Группа 2

Часть I.

"Джентльмен, на вид лет сорока, сошел с поезда и направился к выходу. Его встречала леди весьма преклонного возраста, которая, к удивлению мистера Томпкинса, называла его не иначе, как "мой дорогой дедушка". Для мистера Томпкинса это было уж чересчур. Под предлогом помочь поднести вещи, он вмешался в разговор.- Прошу извинить меня за то, что я вмешиваюсь в ваши семейные дела, - начал он,- но действительно ли вы приходитесь дедушкой этой милой пожилой леди? Видите ли, я в этих местах человек новый и не знаю местных обычаев, но мне никогда не доводилось...- Понимаю ваше затруднение,- улыбнулся в усы джентльмен".

ВОПРОС: Что же произошло с велосипедистом? ( Дайте объяснение с точки зрения СТО

Ответ: Релятивистское замедление времени

 кинематический эффект специальной теории относительности, заключающийся в том, что в движущемся теле все физические процессы проходят медленнее, чем следовало бы для неподвижного тела по отсчётам времени неподвижной  системы отсчёта

Часть II.

Посчитайте, насколько мы можем замедлить время, если наш корабль мчится во Вселенной со скоростью 0,8с? Сколько времени будет продолжаться урок, если на Земле он длится 40 минут?

1. Какое следствие СТО используют для решения задачи (записать)

Замедление времени

1. Решить задачу

2) Решение задач по вариантам.

Обучающиеся решают индивидуально и самостоятельно предложенные задачи.

Вариант 1

1. Чему равна будет масса космонавта, движущегося в космическом корабле со скоростью 0,8с? Масса покоящегося космонавта 90 кг. (3 балла)

Решение:

; ;

1. С какой скоростью (в долях скорости света) относительно Земли должен двигаться космический корабль, чтобы его продольные размеры для земного наблюдателя были в 2 раза меньше истинных? (5 баллов)

Решение:

; по условию, ;

Вариант 2

1. Чему равна длина космического корабля, движущегося со скоростью 0,8 с. Длина покоящегося корабля 100 м. (3 балла)

Решение:

; ; l=0,6*100 м = 60м

1. С какой скоростью (в долях скорости света) относительно Земли должен двигаться космический корабль, чтобы часы на нем шли в 4 раза медленнее, чем на Земле? (5 баллов)

Решение

;

После этого проводится самопроверка своей работы, а также взаимопроверка в парах.

4. Этап подведения итогов урока. Этап рефлексии. Выставление оценок.

Что узнал? Чему научился? Что не получалось?

5. Домашнее задание.

Повторить параграфы