Урок - лекція з теми "Елементи теорії відносності"

    Фізика 10 клас.  Рівень стандарту. 

Чабан Віта Григорівна, учитель фізики та астрономії КЗО «Українсько – Американський Ліцей» м. Дніпро

       Тема: Елементи теорії відносності Ейнштейна.

        Мета уроку: Ознайомити учнів з причинами виникнення загальної теорії відносності. Розкрити зміст основних понять спеціальної теорії відносності, розкрити основні висновки з постулатів теорії відносності: відносність відстаней і проміжків часу, релятивіського закону додавання швидкостей. Встановити основний наслідок теорії відносності – взаємозв’язок маси та енергії, розглянути його використання в ядерній техніці, з’ясувати межі застосування постулатів теорії відносності.

        Розвивати вміння учнів діалектично мислити, встановлювати причинно-наслідкові зв’язки, пояснювати аргументовано закономірності та явища, формування навичок логічного мислення, аналізу та алгоритмізації.

        Розширення світогляду учнів, виховання культури мови, письма. План заняття:

1.      Актуалізація знань учнів.

2.      Пояснення нового матеріалу (за опорним конспектом).

3.      Розв’язування задач.

4.      Підсумок уроку. 

Хід уроку.

1.     Актуалізація знань учнів.

Питання на повторення матеріалу:

1.       Що ми називаємо системою відліку? 

2.       Які системи відліку ми називаємо інерціальними? Чи існують абсолютно інерціальні системи відліку?

3.       Сформулювати принцип відносності Галілея.

4.       В чому суть корпускулярно-хвильового дуалізму світла?

5.       В яких випадках світло проявляє себе як хвиля, в яких – як потік частинок? Чи можна чітко окреслити границі розділу хвильових та корпускулярних властивостей світла?

6.       Яка найбільша швидкість, яка зафіксована в нашому світі? Чому вона дорівнює?

7.       З якими швидкостями рухаються об’єкти, що розглядаються в сучасному шкільному курсі фізики?

     Постановка питання уроку: Чому виникла потреба в розробці теоретичних положень загальної теорії відносності? Коли застосовуються постулати та висновки цієї теорії?

2.     Пояснення нового матеріалу за опорним конспектом.

1.       Історична довідка про кризу фізики на початку 20 сторіччя. Вклад різних вчених в розробку теорії.

2.       Причини виникнення кризи у фізиці.

3.       Постулати теорії відносності (Робота з підручником).

4.       Перетворення Галілея та Лоренца. Взаємозв’язок цих перетворень.

5.       Релятивіські закони додавання швидкостей.

6.       Наслідки теорії відносності.

Під час пояснення матеріалу деякі висновки, вивід формул виконують учні за допомогою вчителя.

3.     Розв’язування задач.

1.       Дві частинки рухаються назустріч одна одній зі швидкостями 0,6 с та 0,8с. Знайти швидкість їх зближення : а). За законами класичної фізики; б) за релятивіським законом додавання швидкостей. Зробити висновки.

Під час розв’язку задач учні бачать, що відповідно до класичних уявлень фізики, швидкість наближення частинок становить 1,4с, що перевищує швидкість світла. При застосування релятивіських  законів швидкість наближення частинок 0,946с. Це число менше швидкості світла, тобто протиріччя немає.

2.       Елементарні частинки  _- мезони народжуються на висоті 18 км над поверхнею Землі, час їх життя становить 2 мкс. Вони здатні рухатися зі швидкістю 290 тис. км/с. Яку відстань вони долають за час свого життя?

При вирішенні задачі класичними методами, учні отримують відповідь 580 м. На такій короткій дистанції ці елементарні частинки неможливо було б зафіксувати. Але з використанням формул уповільнення ходу годинника відстань становить 2,4 км. І ці елементарні частинки можливо зафіксувати. 

3.       Обчислити масу тіла, маса спокою якого 2 г, яке рухається зі швидкістю 2 Мм/с. На скільки ця маса відрізняється від класичного значення?

    При розв’язуванні задачі учні намагаються отримати відповідь на питання про спостереження проявів теорії відносності в нашому житті. Далі учнім варто запропонувати відповісти на це ж питання при швидкості, що становить 2/ 3 від швидкості світла та порівняти результати.

4.       Обчислити енергію спокою тіла масою 1 г. Питання по результату задачі: А де прихована ця енергія? 

5.       Обчислити масу протона, який рухається в прискорювачі зі швидкістю 2,4 10⁸ м/с.

6.       На скільки зменшується щосекунди маса Сонця, якщо потужність випромінювання становить 3,86 10²⁶ Вт?

7.       Тіло масою 18 т підняли на висоту 5 м над поверхнею Землі. На скільки при цьому змінилася маса тіла? Чому неможливо цю зміню зафіксувати?

8.       Додаткові задачі з листочка завдань (див.далі)

Завдання учням: Сформулювати алгоритм розв’язування задач з даної теми.

Які теми курсу фізики треба повторити для даного набору задач?

4.     Підсумок уроку: 

•      Закономірності та формули загальної теорії відносності застосовуються при русі тіл зі швидкостями, близькими до світової швидкості;

•      При класичних швидкостях перетворення Лоренца спрощуються та набувають вигляду перетворень Галілея.

•      Для малих (класичних) швидкостей зафіксувати  уповільнення ходу годинника, зміну маси  неможливо, бо ці величини значно менші за точність сучасних приладів.

Домашнє завдання: параграфи 46-48, стор. 246, письмово - картка Д.З.№ 19.

Опорний конспект до уроку (кожен учень має перед собою для внесення власних уточнень та окремі елементи конспекту проектуються на дошку або екран)

Домашнє завдання № 19.

Тема:  Елементи теорії відносності.

1.       Дві фотонні ракети віддаляються одна від одної зі швидкістю 0,65с кожна відносно земного спостерігача. Яка відносна швидкість віддалення ракет? 

2.       Дві частинки, відстань між якими 10 м, летять назустріч одна одній зі швидкостями 0,6с. Через скільки часу відбудеться зустріч?

3.       Який проміжок часу пройде на зорельоті, який рухається відносно Землі зі швидкістю 0,6с, за 25 земних років?

4.       При якій швидкості руху релятивіська маса тіла зростає в 2 рази?

5.       Як довжину двометрового стержня (для земного спостерігача) фіксують, якщо він рухається зі швидкістю 0,6с?

6.       В скільки разів збільшиться маса частинки, якщо вона рухається зі швидкістю 0,8с?

7.       Обчислити збільшення маси бетонної плити масою 3,5 т при підйомі її на висоту 300 м відповідно до уявлень теорії відносності.

8.       Чайник з водою масою 2 кг нагріли від 10⁰ С до кипіння. На скільки збільшилася маса води?

9.       На скільки зміниться маса 1 кг льоду при його плавленні? Питому теплоту плавлення вважати 330 кДж/кг.

     Пояснення до уроку:

    Даний урок є уроком – лекцією тривалістю 80 хвилин при відведених 2 – х годинах на тиждень з фізики. 

     При проведенні уроку розкривалися етапи розвитку загальної теорії відносності, розглядалися як історичні умови, так і відкриття в науці, що привели до розвитку ідей загальної теорії відносності, роль кожного зі згаданих вчених в створенні теорії. Перед учителем та учнями ставилася мета ознайомлення з основними формулами та висновками теорії відносності, питань її реальності, розгляд фантастичних проектів використання теорії та її експериментальне підтвердження.

    Висновки з уроку складаються з двох частин: 1). Висновки з точки зору фізики (наведені у плані уроку); 2). Висновки про сам урок (що узнали нового, що сподобалось, що було складно, що зацікавило, які моменти здалися найбільш вражаючими, які моменти варто було б змінити  учителю для кращого сприйняття матеріалу).