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:
- 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.
- 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.
- 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.
- Что понимается в физике под «системой отсчета»?
- Какие системы отсчета называются инерциальными и неинерциальными? Приведите примеры.
- В чем заключается принцип относительности Галилея?
- 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:
- несостоятельность принципа относительности (Х.Лоренц)
- несостоятельность формул Максвелла (Г.Герц)
- 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.
- 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.
- 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
- 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.
- 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.