обзорные лекции / МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
.doc16. Анализ научного содержания и методика изучения основ теории относительности в курсе физики средней школы. Модель урока «Постулаты теории относительности»
В последние десятилетия выводы СТО стали широко использоваться в практике для расчета энергетического выхода ядерных реакций, при проектировании и создании ускорителей частиц. Теория, находящая применение в практике, заслуживает изучения в средней школе. Кроме того, изучения СТО необходимо для формирования научного мировоззрения.
Программа общеобразовательной средней школы предлагает ознакомить учащихся с релятивистской механикой в такой последовательности:
Границы применимости классической механики Ньютона.
Постулаты Эйнштейна.
Замедление времени.
Одновременность событий.
Сокращение длин.
Закон сложения скоростей.
Релятивистский импульс.
Взаимосвязь массы и энергии.
Дефект масс.
Однако некоторые методисты считают, что учебный материал по СТО в средней школе должен быть представлен шире и включать изучение эффекта Доплера и элементов релятивистской динамики частиц. Другие – предлагают вынести материал СТО на факультативные занятия.
Рассмотрим возможную последовательность изучения раздела СТО в средней школе.
-
Повторение основных понятий и соотношений классической механики:
-
Инвариантность и относительность некоторых физических величин
Инвариантны
Относительны
Ускорение
Масса
Заряд
Сила
Относительная скорость двух тел
Время
Координата
Скорость
Перемещение
Импульс
Кинетическая энергия
Индукция магнитного поля
Работа
-
Принцип относительности Галилея (преобразования Галилея)
-
Исторические факты, опыты, события, приведшие к появлению СТО (исследование применимости относительности Галилея к электродинамике).
-
Постулаты СТО:
1 постулат
-
Все ИСО равноправны; во всех ИСО не только механические, но и все другие явления природы протекают одинаково.
-
Никаким физическим опытом, проводимым в ИСО, нельзя установить, движется эта система или покоится.
-
Все физические законы одинаковы для всех ИСО.
Опыт Майкельсона – опытное обоснование первого постулата (не существует абсолютной системы отсчета – эфира, в котором разворачиваются все электромагнитные явления)
2 постулат
-
Скорость света в вакууме одинакова во всех ИСО и равна 300000 км/с.
Опытное обоснование – движение двойных звезд (на скорость распространения света от них не влияет скорость движения самих звезд)
-
Кинематика СТО:
-
Для классов с углубленной подготовкой: записывают преобразования Лоренца, сравнивают их с преобразованиями Галилея. Выводят формулы закона сложения скоростей, замедления времени, сокращения масштабов.
-
Для остальных: записывают следствия СТО без строгого вывода формул, раскрывают сущность наблюдаемых эффектов.
-
Динамика СТО: формулы для релятивистской массы, энергии и импульса записывают без вывода.
-
Обобщение полученных знаний проводят, сравнивая относительность Галилея и СТО, указывают границы применимости классической механики.