Постулаты Теории Относительности Эйнштейна

План урока
Тема урока: Постулаты Теории Относительности Эйнштейна.
Цели урока:
Образовательные:
познакомить учащихся с классическими понятиями пространства и времени и экспериментальными основами СТО;– раскрыть физический и философский смысл постулатов Эйнштейна, а также сущность и свойства релятивистского понятия пространства и времени;
Развивающие:
развивать мышление, мировоззрение,
развивать память, умение использовать знания в деятельности.
Воспитательные:
познакомить учащихся с современными представлениями понятия пространства и времени, способствовать выработке у них диалектико-материалистического мировоззрения;

Наглядности и дополнительная литература: А.Мигдал «Квантовая физика»-М:»Наука», 1989г , интерактивная доска, слайды, набор по интерференции и дифракции света,реквизиты для сценки, видеоматериал
Тип урока: изучение нового материала.
Ход урока
1 Организационный момент: 2 мин
-Проверить наличие учебных принадлежностей.
-Проверить посещаемость по журналу
2 Изложение нового материала 26 мин
Вступление (2 мин)
Притча Пришел один человек к мудрецу и спрашивает:
Как мне стать мудрым? Мудрец ответил:
Выйди за дверь и постой с обратной стороны.
Удивился человек, но сделал, как ему было сказано: вышел из дома и встал снаружи. А на улице как раз шел проливной дождь. Такой сильный, что бедняга вымок насквозь. Через полчаса он не выдержал и вернулся.
Я постоял снаружи, и что с того? - спрашивает он мудреца. - Разве от этого что-нибудь изменилось?
Когда ты стоял под проливным дождем, не открылось ли тебе чего? спросил старец.
Что мне могло открыться? - возмутился человек. Я вымок под дождем до нитки и чувствовал себя последним глупцом!
Ты сделал важное открытие, сказал мудрец. - Если человек признает, что он глупец, значит, начало положено. Это и есть начало мудрости.
Неслучайно я рассказала вам эту притчу. Она напрямую связана с нашей жизнью, как и тема занятий над которой мы будем работать
2) Мы начинаем с вами изучать новый раздел физики “Элементы теории относительности”. То о чём мы будем с вами говорить интересно, захватывающе и сложно для восприятия. Ведь эволюция человека происходила на Земле, а условия нашей планеты обусловили узкий диапазон восприятия информации нашими органами чувств.
Один из символов XX столетия – гениальный учёный Альберт Эйнштейн (1879– 1955). Его теория относительности вызвала глубокое переосмысление открытий, сделанных Ньютоном в XVII веке, и перевернула принятые представления о мире. С другой стороны, научная революция привела к изобретению самого смертоносного оружия в истории человечества. Сознание своей причастности к величайшему злу современности терзало выдающегося ученого.
Жизненный путь Альберта Эйнштейна был полон парадоксов. Гениальный физик, в школе испытывал серьёзные сложности. Ученый с мировым именем, гордость немецкой науки, был вынужден покинуть свою страну из-за преследования нацистов. Борец за мир косвенно способствовал изобретению атомной бомбы. Автор нескольких эпохальных открытий и лауреат Нобелевской премии за работы в области оптики для большинства людей был и остаётся создателем знаменитой теории относительности.
Физика и музыка.. Эти две, казалось бы, противоположные сферы встретились в творчестве великого учёного. Эйнштейн размышлял над сложнейшими вопросами физики, играя на скрипке. На вопрос, что для него значит смерть, он отвечал: “Значит, я не смогу больше слушать Моцарта”.
А.Эйнштейн был убеждённым пацифистом. Ещё в годы первой мировой войны, он говорил о безумии, охватившем Европу. А в годы второй мировой он призывал молодое поколение американцев отказаться от военной службы “Если 2% молодых людей откажутся от службы в армии, то правительство не сможет им противостоять. В тюрьмах не будет места”

Объяснение новой темы. (12 мин)
Теория относительности возникла не случайно, а явилась закономерным итогом предшествующего развития физической науки. На этом примере мы должны осознать смысл развития физической науки: новая теория не отменяет старой, а включает её в себя как частный, предельный случай.
При описании физических явлений мы пользуемся всегда какой-то системой отсчета.
– Что можно сказать о нашем движении (мы движемся или покоимся?)
13 EMBED PowerPoint.Slide.8 1415
Г.Галилей ввел в классическую механику принцип относительности, смысл которого следующий: законы механики имеют один и тот же вид во всех инерциональных системах отсчета. ИСО – система, в которой выполняется закон инерции (I закон Ньютона) – скорость тела не меняется, если на него не действуют другие тела или действие этих тел скомпенсировано, другими словами, что бы изменилась скорость тела необходимо действие сил. Система отсчета, движущаяся прямолинейно и равномерно так же считается инерциональной.
Системы, которые вращаются или ускоряются неинерциальные.
Движение тел мы чаще всего рассматриваем относительно Земли, т.е. условно принимаем земной шар не подвижным, т.к. при наблюдении механических движений на Земле мы не обнаруживаем ничего, свидетельствующего о движении самой Земли по орбите со скоростью
30 км/с. Надо отметить, что систему отсчёта, связанную с Землей, можно считать инерциональной с некоторыми приближениями (земля вращается).
В классической механике считалось само собой разумеющимся, что время течёт одинаково во всех ИСО, что пространственные масштабы и масса тел во всех ИСО также остаются одинаковыми. И.Ньютон ввёл в физику постулаты об абсолютном времени и абсолютном пространстве, он писал: “Абсолютное время, истинное или математическое течёт одинаково. Абсолютное пространство в силу своей природы.. всегда остаётся одинаковым и неподвижным”
13 EMBED PowerPoint.Slide.8 1415
До середины XIX в. считали, что все физические явления можно объяснить на основе механики Ньютона.
В середине XIX в. была создана теория электромагнитных явлении (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. Кроме того, в 1881 году американские ученые А. Майкельсон и Э.Морли установили, что движение Земли никак не сказывается на скорости распространения света. И закон сложения скоростей, принятый в классической механике, в данном случае не выполняется. Далее появились сомнения в том, что масса тела всегда постоянна. При измерении отношения e/m для электронов в катодных лучах оказалось, что при больших скоростях движения электронов e/m уменьшается с увеличением скорости. С точки зрения механики это было не понятно, т.к. заряд электрона и масса должны оставаться неизменными.
Чтобы объяснить все эти противоречия, нужна была новая теория. Эту теорию и создал в начале века А.Эйнштейн с помощью введения новых постулатов, согласующихся со всеми опытами.
Из рассмотренного нельзя делать вывод, что механика Ньютона неверна. Противоречат ей только опыты, связанные с определением скорости света или с движением частиц со скоростью, близкой к скорости света с. Во всех остальных случаях, когда мы имеем дело со скоростями движения, которые намного меньше скорости света, классическая механика согласуется с опытом. Это означает, что при создании новой механики должен соблюдаться принцип соответствия, т.е. новая механика должна включать в себя старую классическую механику Ньютона как частный, предельный случай, т.е. законы новой механики должны переходить в законы Ньютона при скоростях движения V, малых по ставнею со скоростью света c. Эту новую механику стали называть релятивистской механикой. Таким образом, релятивистская механика не отменяет классическую механику, а лишь устанавливает границы её применимости.

Суд над теориями происхождения света (12 мин)
Встать. Суд идет.
Судья. Слушается дело о двойственной структуре света. Прошу первую из сторон рассказать свою версию.
ВОЛНОВАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА
Гюйгенс. Я- Христиан Гюйгенс. Голландский математик, физик и астроном. Решил ряд задач механики. Изучил колебания маятника и вывел формулу его периода. Определил выражение для центростремительного ускорения при движении тела по окружности, рассмотрел задачу об упругом ударе шаров, открыл спутник Сатурна, определил длины дуг окружностей эллипса и гиперболы. Утверждаю, что свет- это волна.
1.свидетель. Я подтверждаю правоту ученого Гюйгенса. Важнейшее свойство волн - их способность интерферировать. То есть способность волн уничтожать или усиливать друг друга, например, при отражении и это именно то свойство, по которому волну всегда можно безошибочно отличить от потока частиц. ( Показ опыта с набором по интерференции и дифракции света-лаборантом).
Объяснение дифракции и интерференции света.
2 свидетель. Еще одно свойство волны, которое отличает ее от частиц- дифракция- состоит в ее способности огибать препятствия, если его размеры соизмеримы с длиной волны. Если препятствие невелико, то благодаря дифракции волна может разделиться, обойти его и, складываясь снова, усилить или погасить себя точно так же, как и при сложении прямой и отраженной волн.
3 свидетель. Таким образом, обнаружив интерференцию и дифракцию у рентгеновского и других видов излучения, установили, что все они – волны, только разной длины. Длина волны излучения и есть тот основной признак, по которому мы количественно различаем разные виды электромагнитного излучения. Наибольшая длина у радиоволн: от нескольких сантиметров до нескольких километров. У инфракрасных лучей она короче- от 1 до 10 см. Еще короче волны видимого света, и наконец самые короткие – это рентгеновские лучи. Все виды излучения распространяются с одной и той же скоростью – со скоростью света 3* 108м/с..
4 свидетель. Еще одно свойство волн видимого света – дисперсия. Пропуская луч солнца сквозь призму, позади нее видна радуга – спектр солнечного света. Каждому цвету радуги – спектра соответствует своя длина волны солнечного излучения: самые длинные волны у красного цвета- 650 нм; самые короткие у фиолетового- 400нм. Белый цвет состоит из семи цветов. Призма разлагает белый цвет на составляющие цвета. Дисперсия хорошо объясняется с волновой точки зрения (демонстрация с треугольной призмой).
13 EMBED PowerPoint.Slide.8 1415
Корпускулярная теория света.
Судья. Господа присяжные мы выслушали оппонентов волной теории света. Прошу дать показания второй стороне.
Ньютон. Я Исаак Ньютон. Английский ученый. Ввел основные понятия механики (сила, масса) и сформулировал ее законы. Открыл так же закон всемирного тяготения. Применив его к движению небесных тел, объяснил движение планет, их спутников, комет. Помимо механики и оптики занимался исследованиями по теплофизике, а так же химии, географии, истории. Я утверждаю, что свет- это поток частиц. Прямолинейное распространение света, образование тени - это только некоторые доказательства правоты моей теории.
13 EMBED PowerPoint.Slide.8 1415
1 свидетель. Я Макс Планк, немецкий физик..Поддерживаю теорию Ньютона. Нагретое тело, непрерывно теряя энергию вследствие излучения электромагнитных волн, должно охладиться до абсолютного нуля. Однако повседневный опыт показывает, что нагретое тело не расходует всю свою энергию на излучение. Я предположил, что атомы испускает электромагнитную энергию отдельными порциям - квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте излучения Е=h
·.
2 свидетель. Я Петр Николаевич Лебедев, русский физик.. Измерил световое давление на газы. Измерил световое давление в 1900 г.( демонстрация светового давления). Объяснить световое давление можно так. Частицы света имеют массу, а значит импульс. При поглощении их телом они передают ему свой импульс. Согласно закону сохранения импульса, импульс тела равен импульсу поглощенных квантов. Поэтому покоящееся тело приходит в движение. Изменение импульса тела означает согласно второму закону Ньютона, что на тело действует сила. Сила светового давления очень мала. Давление солнечного света на 1 м2 не превышает веса пяти маковых зернышек( 4*10-6 Н).
3 свидетель. Явление фотоэффекта – еще одно доказательство квантового строения света. Фотоэффект – это явление вырывания электронов с вещества под действием света. Законы фотоэффекта были установлены Александром Григорьевичем Столетовым и Филиппом Ленардом на рубеже 20 века. Эти ученые измеряли число выбитых электронов и их энергию в зависимости от интенсивности и частоты падающего излучения.
4 свидетель. Итак, именно ультрафиолетовый участок спектра вызывает фотоэффект. Этот несложный факт нельзя объяснить на основе волной теории света. Непонятно почему световые волны малой частоты (инфракрасные, которые стекло пропускает) не могут вырвать электроны, если даже амплитуда волны велика и, следовательно, велика сила, действующая на электроны. И второе: если вместо одной ртутной лампы взять две, три, десять, то интенсивность излучения возрастает во столько же раз. Естественно было бы ожидать, что и энергия выбитых электронов возрастет в такой же пропорции. Но энергия электронов оставалась прежней, менялось лишь их число.
Судья. Итак, господа присяжные вам были представлены волновые свойства света - это дифракция, интерференция и дисперсия, а так же квантовые свойства - фотоэффект и давление света. Прошу вынести свой вердикт.
Ответ присяжных. Перед нами был поставлен вопрос: что такое луч света - это волна или частица. Ответ: и волна и частица. Более того , все тела в природе обладают одновременно и волновыми и корпускулярными свойствами, и свойства эти - лишь проявление единого корпускулярно- волнового дуализма.

В 1905 году А.Эйнштейн 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: Принцип относительности: 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.

II постулат: Принцип постоянства скорости света: свет распространяется в вакууме с определенной скоростью,  с не зависящей от скорости источника и от скорости приемника светового сигнала.


3. Работа с опорным конспектом. 2 мин
(ребятам раздаются опорные конспекты)
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]

4. Закрепление новой темы – решение задачи у доски с сильным учеником 7 мин
1 Чему равна будет масса тела движущегося со скоростью 2 *108м/с?
Масса покоящегося тела 0,5кг. (решается у доски)
Дано Формула Решение
m0=0.5 кг

·=2 *108м/с
с=3 *108м/с m = 13 EMBED Equation.3 1415; m = 13 EMBED Equation.3 1415кг
m=?
Ответ: m=0,65 кг

2 Чему равна длина космического корабля, движущегося со скоростью 0,2*108 с. Длина покоящегося корабля 100 м. (решается самостоятельно) (включается музыка)

5 Просмотр видеоролика о Большом Адроном коллаэдре 4 мин
6. Подведение итогов. Рефлексия. 1 мин
И закончить сегодняшний урок мне бы хотелось закончить любимым высказыванием Эйнштейна “Бог не играет в кости”. Учёный был убеждён, что ни одно из событий не случайно, миром правят определённые законы.
7 Подведение итогов 2 мин
-за активное участие на уроке
-за решение задач, самостоятельную работу
6 Домашнее задание: 1 вар скачать видео с ютуб по теме «.Опыт Майкельсона и Морли»
2 вар сделать слайды по теме «Анализ постулатов Эйнштейна» 1 мин