Уроки фізики у 10 класі

РЕЛЯТИВІСТСЬКА МЕХАНІКА

 

Урок № 4

Тема. Підсумковий урок з теми «Релятивістська механіка»

 

Мета: узагальнити та поглибити знання учнів з вивченої теми; сформувати в учнів усвідомлення пізнаваності світу; встановити зв'язки мікро- і макросвіту на основі розгляду теорії відносності в астрономії й атомній фізиці; формувати в учнів уявлення про роль науки в житті суспільства, значення громадської позиції вченого; вміння працювати з додатковою літературою.

Тип уроку: урок узагальнення і систематизації знань.

Обладнання: портрети Г. Галілея, І. Ньютона, А. Ейнштейна, тестові завдання.

Наука — це драма, драма ідей.

А. Ейнштейн

 

І в сфері зір, і в вигляді планет

На атоми Всесвіт кришиться,

Обриваються зв’язки усі,

Все на шматки дробиться,

Основи розхитались,

І все для нас відносним стало.

Д. Донн

ХІД УРОКУ

І. Мотивація навчальної діяльності

Вступне слово вчителя.

— Ми з вами закінчуємо вивчення теми «Релятивістська механіка».

Сьогодні підсумковий урок, на якому маємо повторити вивчений матеріал, доповнити новими знаннями, які ви отримали самостійно, працюючи з додатковою літературою.

На нашому уроці панують такі закони співпраці:

• закон чіткості;

• закон часу;

• закон толерантності.

Тому прошу всіх взяти активну участь в обговоренні таких питань:

1. Як дослідження Галілея стосуються теорії відносності?

2. Що зробив Ньютон для класичної механіки?

3. Які були передумови виникнення СТВ?

4. У чому полягає геніальність Ейнштейна?

5. Які ви можете навести докази підтвердження справедливості СТВ?

 

ІІ. Повторення і систематизація знань

Учитель. Яке дослідження Галілея стосується теорії відносності?

Учень. Фізика як наука бере свій початок від Галілея. Глибокі роздуми над видами руху привели Галілея до принципу відносності. Наприклад, мандрівник, який перебуває у каюті корабля, що пливе, може вважати, що книжка, яка лежить на його столі, перебуває у стані спокою. Проте людина на березі бачить, що корабель пливе, тому можна вважати, що книжка рухається з тією самою швидкістю, що й корабель.

На запитання, чи рухається книжка насправді, чи перебуває у стані спокою, однозначно відповісти не можна. Відповідь залежить від того, що ми візьмемо за тіло відліку. Якщо прийняти точку зору мандрівника, то книжка перебуває у стані спокою. Якщо розглядати ситуацію з погляду людини, яка стоїть на березі, то книжка рухається.

Учитель. Яке же формулюється механічний принцип відносності Галілея і що з нього випливає?

Учень. Зміст принципу відносності Галілея полягає в тому, що жодними механічними дослідами не можна встановити, перебуває ІСВ в стані спокою чи рухається рівномірно і прямолінійно.

Відносними також є швидкість і переміщення.

Учитель. У чому полягала заслуга Ньютона в подальшому розвитку механіки? Чому О. Поуп писав про нього: «Був світ окутаний пітьмою. Хай буде світло! І ось з’явився Ньютон».

Учень. І. Ньютон узагальнив відкриття Галілея у вигляді першого закону — закону інерції, додав другий та перший закони механіки, закон всесвітнього тяжіння.

На основі цих законів була створена всеосяжна система поглядів на світ. Закони пояснювали рух планет, припливів і відпливів і навіть ледь помітну прецесію земної осі з періодом 26000 років.

Закони Ньютона не можна розглядати поза простором і часом. У класичній механіці вважається, що час тече однаково в усіх ІСВ, просторові масштаби і маси тіл в усіх ІСВ однакові. Тобто простір, час, маса — абсолютні поняття, які не залежать від вибору ІСВ.

Ця фундаментальна теорія впродовж двох століть визначала розвиток фізичної науки.

Учитель. Хто вперше визначив швидкість світла?

Учень. У 1676 р. датський астроном О. Ремер під час вивчення затемнень одного із супутника Юпітера порівняв результати двох спостережень: коли відстань між Юпітером і Землею була мінімальною і коли відстань була максимальною. Для швидкості світла дістав значення 227 000 км/c. Сучасні   вимірювання дали значення 300 000 км/c.

Учитель. Пригадайте, у чому полягає дослід Майкельсона і яким був його результат.

Учень. Майкельсон і Морлі за допомогою явища інтерференції порівнювали швидкості поширення світла вздовж руху Землі та в перпендикулярному напрямі. Згідно з теоремою додавання швидкостей, вони не повинні бути однаковими. Але швидкість світла виявилась однаковою, тобто не залежала від руху Землі, що суперечило законам класичної механіки.

Учитель. Який же вихід з даної ситуації був запропонований А. Ейнштейном?

Учень. Щоб узгодити теорію і результати експериментів, було створено нову механіку для швидкостей, наближених до швидкостей світла у вакуумі, яку назвали релятивістською механікою. Ця механіка не спростовувала класичної механіки, але встановлювала межі її застосування. В основу були покладені постулати Ейнштейна.

• Принцип відносності. Усі процеси природи протікають однаково в усіх інерційних системах відліку.

• Принцип сталості швидкості світла. Швидкість світла у вакуумі однакова для всіх ІСВ, вона не залежить ні від швидкості джерела, ні від швидкості приймача світлового сигналу.

Учитель. Як уявляв Ейнштейн просторові розміри і час? Учень. Лінійні розміри тіл у рухомих системах зменшуються:

Час у рухомих системах тече повільніше:

Учитель. Якою є маса в СТВ? Чому знаменита формула E = mc2, за словами М. Борна, «є ланкою, що пов’язує фізику та політику?»

Учень. Формула E = mc2 стала основою для всієї ядерної фізики, дала змогу обчислити енергію ядер атомів. За нею можна розрахувати кількість ядерного палива для криголама, реактора.

Але ця сама формула вказує, скільки атомного палива необхідно вмістити в бомбу, щоб зруйнувати місто.

Учитель. Як Ейнштейн реагував на трагічну реалізацію свого великого відкриття?

Учень. 6 серпня 1945 року на японське місто Хіросіму американці скинули першу атомну бомбу . Весь світ був вражений масштабами трагедії. Ейнштейн тяжко переживав ці події і до самої смерті закликав до миру й боротьби проти атомної війни.

Учитель. Наведіть приклад підтвердження теорії відносності.

Учень:

1. Під час проходження світла поблизу великих мас має спостерігатися викривлення променів. Під час повного сонячного затемнення в 1919 р. учасники Міжнародної експедиції сфотографували зоряне небо в момент затемнення. Порівнюючи ці фотографії з попередніми, виявили, що зорі змістилися. Це результат зміщення світлових променів від зір під час проходження їх поблизу Сонця.

2. Доведено, що під час руху планет навколо Сонця їхні орбіти повертаються.

3. У 30-ті роки ХХ ст. було відкрито явище «розбігання галактик».

4. Доведено існування гравітаційних хвиль.

5. У верхніх шарах атмосфери Землі під впливом космічних променів утворюються п-мезони, які живуть протягом дуже короткого часу — 2·10-8 c . Отже, якщо п-мезон летітиме навіть зі швидкістю, близькою до швидкості світла, то за цей час він встигне пролетіти не більше 6 м. Але ці частини були виявлені біля поверхні Землі, пролетівши, не розпадаючись, відстань понад 30  км. Це можна пояснити лише уповільненням часу.

 

ІІІ. Перевірка знань

Самостійна робота. Прийом «На смак і колір». Учні вибирають той рівень, що їм під силу.

Початковий рівень

1. Два автомобілі рухаються в одному й тому самому напрямі зі швидкостями 1 і 2 відносно поверхні Землі. Чому дорівнює швидкість світла від фар першого автомобіля в системі відліку, зв’язаній із іншим автомобілем? Укажіть усі правильні відповіді:

2. Позначимо через l0 довжину стрижня в системі відліку K, відносно якої стрижень нерухомий. У системі відліку, відносно якої він рухається, довжина стрижня l . Укажіть усі правильні твердження.

image287

3. Який із наведених нижче виразів являє енергію спокою системи? Укажіть усі правильні відповіді.

image288

Середній рівень

1. Дві фотонні ракети віддаляються одна від одної зі швидкістю 0,65 с відносно земного спостерігача. Чому дорівнює відносна швидкість ракет? (Відповідь: 0,912 с.)

2. Чому дорівнює довжина метрового стрижня (для земного спостерігача), що рухається зі швидкістю 0,6 с?

3. Маса потяга 2000 т. На скільки збільшується його енергія під час підйому на мост висотою 25 м?

Достатній рівень

1. Дві ракети рухаються назустріч одна одній зі швидкостями 1 = 2 = 0,75 c відносно нерухомого спостерігача. Знайдіть швидкість зближення ракет за класичною та релятивістською формулами додавання швидкостей.

2. З якою швидкістю відносно Землі має рухатися космічний корабель, щоб його поздовжні розміри для земного спостерігача були в 2 рази менші за справжні?

3. Чайник, куди налито 2 кг води, нагріли від 10 °С до кипіння. На скільки змінилася маса води?


IV. Підсумки уроку

Учитель ще раз звертає увагу на епіграф уроку.

Учні роблять висновки про поняття відносності з точки зору фізики і як філософського поняття.


V. Домашнє завдання

Скласти кросворд за вивченою темою.



Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити