в каком классе проходят теорию относительности

Данный раздел изучается в 11 классе

Для школы изучение теории относительности является новым. Причины столь позднего введения этой темы в старшей школе таковы, что ее выводы противоречат здравому смыслу. Выводы отныне не стали менее парадоксальными, однако уже со временем стали более привычными. И введение их в школьную программу не кажется столь необычным и невозможным. В последнее десятилетие выводы теории относительности стали широко использоваться в практике для расчета лектромагнитного выхода ядерных реакций. Кроме того изучение теории относительности необходимы в целях формирования научного мировоззрения у школьников. Важно ознакомить учащихся с современным учением о пространстве и времени, убедить, что Ньютоновские представления об абсолютном пространстве и абсолютном времени ограничено и метафизично.

Программа общеобразовательной средней школы предлагает ознакомить учащихся с принципом относительности Эйнштейна, дать представление о скорости света в вакууме как предельной скорости передачи сигнала, изучить релятивистские законы сложения скоростей, зависимость импульса от скорости, взаимосвязь массы и энергии.

Последовательность изучения: законы электродинамики и принцип относительности, постулаты теории относительности, относительность одновременности, основные следствия вытекающие из постулатов теории относительности, зависимость массы от скорости, релятивистская динамика, связь между массой и энергией. Изучение элементов теории относительности рекомендуют начинать с повторения материала об относительности, который знаком учащимся. На повторение отводят 1-2 урока. Вначале учащиеся говорят, что важным был вопрос о том, распространяются ли принципы относительности на явления электродинамики или нет, одни опыты подтверждали принципы Галилея, а другие опровергали. Эту трудность преодолел Эйнштейн, создав СТО. Он сказал, что сложившиеся противоречия можно снять, но для этого необходимо пересмотреть классические представления о существовании абсолютного пространства и времени.

Основные законы и правила:

1.СТО Эйнштейна основывается на двух постулатах.

Принцип относительности – главный постулат этой теории. Он гласит: все процессы природы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета.

2.Согласно второму постулату скорость света в вакууме одинакова для всех инерциальных систем отсчета. Она не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала.

3.Теория относительности представляет собой новое учение о пространстве и времени, пришедшее на смену старым классическим представлениям. Согласно теории относительности одновременность событий, расстояние и промежутки времени являются не абсолютными, а относительными. Они зависят от системы отсчета.

относителность расстояний, относительность промежутков времени

4.Релятивистский закон сложения скоростей:

Из теории относительности вытекает, что скорость света в вакууме является максимально возможной скоростью передачи взаимодействий в природе.

5.При увеличение скорости тела его масса m не остается постоянной; она тоже увеличивается в соответствии с формулой:

Релятивистский импульс выражается:

С учетом этого выражения для импульса можно основной закон релятивистской динамики записать в той же форме, что и второй закон Ньютона:

6.Важнейшим для ядерной физики и физики элементарных частиц следствием теории относительности является вывод о связи между массой и энергией. Энергия E тела или системы тел равна массе, умноженной на квадрат скорости света:

Выражение E₀=m₀c 2 представляет собой энергию покоя.

7.При скоростях движения, много меньших скорости света, справедливы классические представления о пространстве и времени и законы механики Ньютона. Это проявление общего принципа соответствия физических теорий.

Основные демонстрационные эксперименты (нет):

В качестве опытного обоснования принципа относительности Эйнштейна следует рассмотреть опыт Майкельсона – отрицательный результат этого опыта доказывает неправильность его исходной посылки о существовании абсолютной системы отсчета – эфира, в котором якобы развертываются все электромагнитные явления. Все инерциальные системы отсчета равноправны, законы природы в них одинаковы.

(прод18) В этой формуле х₀ – координата точки в начальный момент времени t₀, а V_х – проекция скорости на ось Ох.

6. Чтобы описать неравномерное движение точки, надо уметь рассчитывать ее скорость в любой момент времени. Для этого вводят величину, характеризующую быстроту изменения скорости, которую называют ускорением.

7. Если ускорение постоянно, то есть модуль и направление его не меняется со временем, то оно определяется по формуле где — изменение скорости за промежуток времени . 8.При движение с постоянным ускорением скорость точки и её радиус-вектор в любой момент времени вычисляются по формулам ,

9. Движение с постоянным ускорением может быть как прямолинейным, так и криволинейным. Когда начальная скорость точки равна нулю или же направлена вдоль той же прямой, что и ускорение, то точка движется прямолинейно вдоль этой прямой.10.Если же начальная скорость и ускорение не направлены вдоль одной прямой, точка движется криволинейно. Причем криволинейное движение с постоянным ускорением всегда происходит в той плоскости, в которой находятся векторы ускорения и начальной скорости точки. 11. В случае криволинейного движения с постоянным ускорением в плоскости хОу проекции V_х и V_у её скорости в любой момент времени t определяются по формулам

, ,

где х₀ – координата точки в начальный момент времени, V_0х – проекция начальной скорости на ось Ох, а_х – проекция ускорения

12. Равномерное движение точки по окружности является движением с переменным ускорением, так как ускорение непрерывно изменяется по направлению.

13. Из всех движений твердого тела самыми простыми являются поступательное и вращательное.

При поступательном движение все точки тела движутся одинаково, то есть имеют равные скорости, ускорения, совершают одинаковые перемещения, описывают одинаковые траектории и проходят равные пути. Поэтому лишь при этом движение имеют точный смысл понятия «скорость тела» и «ускорение тела». Для описания поступательного движения тела достаточно проследить за движением одной из его точек.

При вращательном движение все точки тела описывают окружности, центры которых находятся на одной и той же неподвижной прямой, называемой осью вращения. Угловая скорость ω при равномерном вращение тела вычисляется по формуле: ,где — угол поворота тела за время t..

Выражение для угловой скорости через период и частоту ращения запишутся в виде: Воспользовавшись связью между линейной и угловой скоростями, можно выразить модуль ускорения точки, движущейся равномерно по кружности, через угловую скорость тела и радиус окружности:

(прод17)Существование электромагнитных волн предсказал в 1832 году Фарадей, а в 1865 г. Максвелл теоретически показал, что электромагнитное поле должно распространятся в вакууме со скоростью света. Изучение электромагнитных волн проводят на качественном уровне, сообщая школьникам основные выводы из теории и экспериментальные факты, применяя модельные представления, графики и другие средства, обеспечивающие наглядность при изучении этого сложного материала. Важно подчеркнуть, что теоретическое представление Максвелла о существовании электромагнитных волн было экспериментально подтверждено Герцем в 1888г., это сыграло важную роль в утверждении теории Максвелла. В электромагнитной волне вектор E и B перпендикулярны друг другу, и лежат в плоскости перпендикулярной к направлению распространения волны. Это дает возможность утверждать, что электромагнитные волны поперечны. Векторы E и B колеблются в одинаковой фазе, т.е. одновременно превращаются в ноль и одновременно достигают максимума. Это дает возможность изобразить графики изменения E и B в направлении распространения волны, показать направление скорости. Совпадения скорости электромагнитной волны со скоростью света дало Максвеллу возможность предположить, что свет имеет электромагнитную природу. Это подтвердилось и благодаря этому в истории науки произошло объединение оптики и электромагнетизма в одно учение.

При начальном объяснении образования и распространения волн надо исходить из того, что изучено. Можно предположить процесс распространения электромагнитного поля, т.е. образование электромагнитных волн в свободном пространстве.

Из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны переносят энергию. Энергия, переносимая волной количественно характеризуется вектором плотности потока энергии (вектора Умова-Пойтинга). В школе ограничиваются констатацией факта переноса волной энергии в направлении распространения волны, а также выводом, что электромагнитная волна должна обладать импульсом и благодаря этому оказывать давление на тела.

При раскрытии процесса излучения электромагнитных волн идут одним из следующих путей: 1. Рассмотрения электромагнитных колебаний, которые возникают в колебательном контуре. 2. Рассмотрения недостатков закрытого колебательного контура, как излучателя и постепенного изменения электроемкости конденсатора и индуктивности катушки, переходят к открытому колебательному контуру – вибратору. Для получения электромагнитных волн Герц использовал устройство, которое назвал вибратором Герца. Для возбуждения колебаний в нем поступают так: провод разделяют посредине так, чтобы остался небольшой промежуток, называемый искровым. Обе части провода заряжаются до высокой разницы потенциалов. Когда разность потенциалов превышает некоторое предельное значение, проскакивает искра и в открытом колебательном контуре возникает потенциал. Поля в открытом колебательном контуре затухают по двум причинам: 1) вследствие наличия у контура активного сопротивления; 2) вибратор излучает электромагнитные волны и теряет энергию. Когда колебания прекращаются, оба проводника вновь заряжают от источника до наступления пробоя искрового промежутка и все повторяется.

Плотностью потока электромагнитного излучения I называют отношение электромагнитной энергии , прошедшей за

Источник

Конспект открытого урока по физике в 11-м классе «Альберт Эйнштейн. Специальная теория относительности»

Разделы: Физика

Во всем виноват Эйнштейн.
В 1905 году он заявил,
что абсолютного покоя нет,
и с тех пор его действительно нет.
Стивен Ликок

Цели урока:

Подготовка к уроку: Подготовка наглядности к уроку: портреты Эйнштейна в позднем возрасте, карикатуры на него, портрет Амадея Моцарта, фото скрипки, компаса, атомного взрыва, участков звездного неба, высказывания великого ученого.

ТСО: графопроектор, лазерная указка, музыкальный центр, СД «Музыка А. Моцарта».

Ход урока

1. Организационный момент

2. Беседа (звучит музыка А. Моцарта).

Учитель: Накануне мы с вами познакомились с некоторыми моментами из жизни Эйнштейна. Вы получили задание – ответить на несколько вопросов.

Первый вопрос: Назовите черты характера этого выдающегося человека, ученого, мыслителя.

Ученики: упорство, воля, дух независимости и свобода, удивление самому себе, умение жить в согласии со своей совестью, неряха, любовь к музыке, детская непосредственность, страстное любопытство, способность ясно и точно формулировать свои мысли, исключительная способность сосредоточиться, научный инстинкт, философские воззрения, пацифизм.

Второе задание: Веселые истории, анекдоты.

1. В начале научной карьеры Эйнштейна один журналист спросил госпожу Эйнштейн, что она думает о своем муже.

2. – Как Вы записываете свои великие мысли? – спросил журналист. – У Вас есть для этого блокнот или записная книжка?

3. Альберт Эйнштейн любил фильмы Чарли Чаплина и относился с большой симпатией к созданному им герою. Однажды он написал в письме к Чаплину: «Ваш фильм «Золотая лихорадка» понятен всем в мире, и вы непременно станете великим человеком. Эйнштейн.» На это Чаплин ответил: «Я восхищаюсь Вами еще больше. Вашу теорию относительности никто в мире не понимает, а Вы все-таки стали великим человеком. Чаплин».

Третий вопрос: Назовите факторы, которые повлияли на формирование мировоззрения.

Ученики: Любовь к скрипичной музыке А. Моцарта, И. Баха. Научился играть на скрипке в 6 лет. Музыка помогала вызывать симпатию и сходиться с людьми. Однажды в Праге он должен был читать доклад, но вместо этого, к необычайной радости толпы, стал… играть на скрипке.

В возрасте четырех лет Эйнштейн пережил настоящее чудо, когда отец показал ему компас. То, как вела себя его стрелка, не вписывалось в событийный ряд, в неосознанной форме являвший себя в мир понятий.

Знакомство с евклидовой геометрией на плоскости. Книга по евклидовой геометрии запомнилась ясностью суждений и непреложностью доказательств. Эйнштейн писал: « Когда я спрашиваю себя, чем можно объяснить то, что именно я открыл теорию относительности, я думаю, что все дело заключается в следующем: нормальный взрослый человек не ставит перед собой проблему осмысления пространства и времени. Все, что, по его мнению, можно думать об этом, он пережил уже в детстве. Я же, напротив, развивался настолько медленно, что начал думать о пространстве и времени и изумляться этому, когда уже был взрослым человеком. Естественно, что я смог поникнуть в эту проблему глубже, чем обычный ребенок.

Влияние семьи и друзей (его дядя и отец были владельцами электротехнической фабрики), тяга к самообразованию, талант вкупе с изобретательностью и упорством. Наконец, просто удача.

3. Новый материал:

Таким образом, не существует преимущественной инерциальной системы, связанной с эфиром.

В основе специальной теории относительности (СТО) лежат два постулата: (работа с учебником «Физика 11», стр. 214).

1 постулат: Все процессы природы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета.

2 постулат: Скорость света в вакууме одинакова для всех инерциальных систем отсчета. Она не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала.

Принятие этих двух постулатов привело к необходимости коренных изменений в представлениях о свойствах пространства и времени, принятых в классической физике. Явления, описываемые СТО, но не объяснимые с позиций классической физики, называются релятивистскими.

Статья Альберта Эйнштейна «Электродинамика движущихся тел», посвященная СТО, была написана в 1905 году, а в 1907 году автор направил ее на конкурс в университет г. Берна. Один из профессоров вернул Эйнштейну его работу со словами: «Того, что вы написали здесь, я совершенно не понимаю». В 1916 году была написана работа по общей теории относительности. Вряд ли существовал другой такой ученый, личность которого была бы столь популярна среди населения всей планеты и вызывала всеобщий интерес.

Посмотрим, что было необычного в СТО.

С точки зрения СТО продолжительность событий, количество движения, масса тела не являются величинами абсолютными, они зависят от скорости движения наблюдаемых объектов относительно наблюдателя. Эффекты СТО начинают проявляться при скоростях, близких к скорости света, а при обычных, земных скоростях движение и характеристики объектов можно рассчитывать по хорошо знакомым классическим формулам. Теория относительности – дальнейшее обобщение, развитие физических законов движения. Она не отменяет, а включает в себя как необходимую составную часть всю классическую механику.
Рассмотрим некоторые следствия, вытекающие из СТО:

1. Релятивистский закон сложения скоростей.

Если тело движется со скоростью v в одной системе отсчета, то в другой системе отсчета, относительно которой первая система отсчета движется со скоростью v1 в том же направлении, скорость тела определяется выражением:

При движении частицы с релятивистской скоростью возникает избыток массы

4. Заключение.

В честь Эйнштейна названы:

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

5. Домашнее задание: § 76, 78-80.

Литература:

Источник

Специальная теория относительности

Разделы: Физика

– 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;
– формировать умение применять полученные знания на практике.

– познакомить учащихся с современными представлениями понятия пространства и времени, способствовать выработке у них диалектико-материалистического мировоззрения;
– пробудить чувство ответственности за будущее человеческой цивилизации; заставить задуматься о своем месте в жизни и вкладе во имя спасения земной цивилизации.

– развивать мышление, мировоззрение;
– развивать способность чётко формулировать свои мысли;
– развивать память, умение использовать знания в деятельности.

Основные знания и умения:

Знать принцип относительности Галилея, формулу сложения скоростей, границы применимости классической механики, основные опыты и явления, которые противоречат законам классической механики; постулаты Эйнштейна.

Последовательность изложения нового материала

Классическое представление понятий пространства и времени.

Инерциальная система отсчёта. Принцип относительности Галилея.

Экспериментальные основы СТО.

Постулаты Эйнштейна: обобщить представление учащихся о теории относительности;

Ход урока

1.Организационный момент.

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.

– раскрыть физическую суть принципа относительности в классической механике и в специальной теории относительности;

– раскрыть физический и философский смысл постулатов Эйнштейна;

– рассмотреть возможность СТО для познания законов Вселенной;

– задуматься о нравственной ответственности человечества за применение научных открытий.

Мотивация познавательной деятельности учащихся:

Английский писатель Бернард Шоу считал, что в истории существовало всего восемь великих естествоиспытателей: Пифагор, Птолемей, Аристотель, Коперник, Галилей, Кеплер, Ньютон и Эйнштейн. Причём только трое – Птолемей, Ньютон и Эйнштейн – создали Вселенную. Остальные её ремонтировали.

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 бомы. Автор нескольких эпохальных открытий и лауреат Нобелевской премии за работы в области оптики для большинства людей был и остаётся создателем знаменитой теории относительности.

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…”

2.Объяснение новой темы.

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?)

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”

До середины XIX в. считали, что все физические явления можно объяснить на основе механики Ньютона.

В середине XIX в. была создана теория электромагнитных явлений

(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.
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.

Чтобы сформулировать эти постулаты, нужна была большая научная смелость, т.к. они, очевидно, противоречили классическим представлениям о пространстве и времени.
Итак, современная физика подразделяется на:

классическую механику, которая изучает движение макроскопических тел с малыми скоростями (v 5.05.2011

Источник