II. Изучение нового материала. Составьте опорный конспект

Тема занятия: «Постулаты СТО. Пространство и время в СТО»

 

Тип: занятие по изучению и первичному закреплению новых знаний.

 

Дидактическая цель: раскрыть содержание постулатов специальной теории относительности.

 

Задачи:

1. Образовательные: повторить принцип относительности Галилея и основные положения электродинамики Максвелла; напомнить учащимся содержание таких понятий, как «тело отсчета», «система отсчета», инерциальная система отсчета; раскрыть содержание постулатов специальной теории относительности и научить учащихся применять их для доказательства следствий специальной теории относительности.
2. Воспитательные: продолжить формирование познавательного интереса обучающихся; в целях интернационального воспитания обратить внимание студентов, что физика развивается благодаря работам ученых различных стран и исторических времен; продолжить формирование стремления к глубокому усвоения теоретических знаний через решение задач.
3. Развивающие: активизация мыслительной деятельности (способом сопоставления), формирование алгоритмического мышления; развитие умений сравнивать, выявлять закономерности, обобщать, логически мыслить; научить применять полученные знания в нестандартных ситуациях для решения графических и аналитических задач.

Ход занятия

I. Актуализация знаний. Ответьте на вопросы используя всевозможные Интернет-ресурсы.

1. Что понимается в физике под «системой отсчета»?
2. Какие системы отсчета называются инерциальными и неинерциальными? Приведите примеры.
3. В чем заключается принцип относительности Галилея?
4. Основные положения электродинамики Максвелла?

 

II. Изучение нового материала. Составьте опорный конспект.

 

1. Возникновение СТО. Теория относительности представляет собой систему современных взглядов на пространство и время.

Согласно классическим представлениям о пространстве и времени, считавшимся на протяжении веков незыблемыми, движение не оказывает никакого влияния на течение времени (время абсолютно), а линейные размеры любого тела не зависят от того, покоиться ли тело или движется (длина абсолютна).

Развитие электродинамики привело к пересмотру представлений о пространстве и времени.

Сегодняшний урок посвящен специальной теории относительности Эйнштейна. СТО – новое учение о пространстве и времени, пришедшее на смену старым (классическим) представлениям.

 

СТО появилась в результате возникшего противоречия между электродинамикой Максвелла и механикой Ньютона.

Возможные выходы из противоречия:

1. несостоятельность принципа относительности (Х.Лоренц)
2. несостоятельность формул Максвелла (Г.Герц)
3. отказ от классических представлений о пространстве и времени, сохранение принципа относительности и законов Максвелла (А.Эйнштейн)

 

Единственно правильной оказалась именно третья возможность. Последовательно развивая ее, А.Эйнштейн пришел к новым представлениям о пространстве и времени. Первые два пути, как оказалось, опровергаются экспериментом.

 

2. Постулаты СТО.В основе теории относительности лежат два постулата.

1) Понятие постулата в науке

Постулат в физической теории играет ту же роль, что и аксиома в математике. Это – основное положение, которое не может быть логически доказано. В физике постулат есть результат обобщения опытных фактов.

2) Постулаты СТО.

1. Принцип относительности Эйнштейна: все процессы природы протекают одинаково во всех ИСО.

2. Второй постулат: скорость света в вакууме одинакова для всех ИСО. Она не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала

 

 

3. Следствия СТО.

1. Относительность одновременности: два пространственно разделенных события, одновременные в одной ИСО, могут не быть одновременными в другой ИСО.

При переходе из одной СО в другую может изменяться последовательность событий во времени, однако последовательность причинно-следственных событий остается неизменной во всех СО: следствие наступает после причины.

Причиной относительности одновременности является конечность скорости распространения сигналов.

 

1. Относительность расстояний (релятивистское сокращение размеров тела в движущейся СО): длина движущегося предмета сокращается в направлении движения.

 

                                     (1)

l – длина покоящегося тела;

l ₀ – длина движущегося тела;

υ – скорость его движения в данной СО.

(релятивистскими называются эффекты, наблюдаемые при скоростях движения, близких к скорости света)

Размеры предметов в направлении, перпендикулярном направлению движения, не изменяются

 

1. Относительность промежутков времени: ход движущихся часов замедляется.

 

                                     (2)

τ ₀ – интервал времени, измеренный часами, покоящимися в той СО, где оба события произошли в одной и той же точке пространства.

τ – интервал времени между двумя событиями, измеренный движущимися часами.

 

Время на космическом корабле, летящем с постоянной скоростью, протекает медленнее, чем на «неподвижной» Земле. Но космонавт никаким образом не может подметить эти изменения, т.к. и все процессы внутри корабля, которые могли бы служить мерилом измерения времени, замедлены в том же отношении. Биение сердца и все функции организма тоже происходят в замедленном темпе. Если скорость движения приближается к скорости света, то путешествие до туманности Андромеды займет 29 лет. Но по земным часам пройдет почти 3 миллиона лет.(можно рассмотреть «Парадокс близнецов»)

 

Если υ<<с, то в формулах (1) и (2) можно пренебречь величиной υ²/с². Тогда l ≈ l ₀ и τ ≈ τ ₀, т.е. релятивистское сокращение размеров тел и замедление времени в движущейся СО можно не учитывать.

 

1. Релятивистский закон сложения скоростей (направленных вдоль одной линии)

 

                                              (3)

υ ₁ – скорость тела в 1-й СО;

υ ₂ – скорость тела во 2-й СО;

υ – скорость движения 1-й СО относительно 2-й.

При υ ₁, υ << с получаем υ ₂= υ ₁+ υ, т.е. закон сложения скоростей в классической механике.

Если υ = с (т.е. речь идет о распространении света), получаем υ ₂= с, что соответствует второму постулату СТО.