GOS / 18 Экспериментальные основания СТО

15.(11). Дать экспер основание СТО. Опыты Физо и Майкельсона. Эффект Доплера в оптике.

Во 2-й половине 19 столетия после разработки земных методов измерения скорости света возникла проблема существования эфира и его свойств. В частности, как ведет себя эфир наполняющий движущиеся тела: увлекается ли эфир движущимися телами полностью, или увлекается частично или совсем не увлекается. Были осуществлены 2 важных оптических опыта по определению свойств эфира: опыт Физо (1851) и опыт Майкельсона (1881).

Опыт Физо. В середине 19 столетия, когда Физо выполнил свой интерференционный опыт, широкое распространение получила упругая теория по которой эфиру приписывались упругие свойства, согласно которой движущаяся среда увлекает эфир частично при коэффициенте увлечения - коэффициент увлечения Френеля.

И действительно, опыт подтвердил существование этого эффекта при хорошем количественном соотношении с формулами. Т.е. опыт Физо дал положительный результат и казалось бы подтвердил вывод Френеля о частичном увлечении эфира движущейся средой. В этом случае скорость распространения света:

по течению: , где - скорость движения среды (воды);

против течения: .

Рассчитаем - время распространения света по установке по течению; - время распространения света по установке против течения.

; ;

Из расчета следует, что наблюдаемый в установке эффект представляет собой эффект 1-го порядка.

; .

Удвоенный эффект, который можно наблюдать при переключении насоса будет

Опыт Майкельсона. Для проведения опыта Майкельсон разработал новый интерферометр – интерферометр Майкельсона.

Т.к. для воздуха n=1, то для воздуха и увлечения эфира движущейся Землей должно отсутствовать, а раз нет увлечения, то должен наблюдаться эфирный «ветер».

При повороте установки на 90⁰ эффект приобртает отрицательное значение и поэтому наблюаться двойной эффект.

1-й опыт Майкельсона дал отрицатель. результат. Однако величина ожидаемого смещения составляла в этом опыте 0,04 полосы, т.е. была на пределе чувствительности, можно было и не заметить. Поэтому был задуман и осуществлен 2-й опыт Майкельсона (1887).

2-й опыт Майкельсона. За счет многократных отражений длина плеча была увеличена до 11м. Источником служила зеленая ртутная лампа с . И ожидаемое смещение .

В этом опыте также как и в 1-м эффект смещения полос не наблюдался, т.е. опыт дал отрицательный результат. Т.о. опыт Физо и опыт Майкельсона пришли к противоречии. Все последующие опыты при разных условиях дали отрицательные результаты. Т.о. возник кризис физики, связанный с понятием эфира.

В 1905 г. А.Эйнштейн разработал теорию, которая получила название СТО. СТО позволило объяснить все наблюдаемые явления без привлечения понятия эфира. СТО базируется на 2-х постулатах:

1. Постулат о постоянстве скорости света. Скорость света не зависит ни от движения источника света, ни от движения приемника света и представляет собой универсальную константу .

2. Принцип относительности Галилея, распространенный на все физические процессы. Все законы физики имеют одинаковый вид в различных ИСО, иначе говоря, законы природы инвариантны относительно преобразований Лоренца.

Из 2-х постулатов легко выводятся формулы – преобразования Лоренца.

Д ля отсчета времени произведем синхронизацию этих 2-х систем: в момент совмещения начала координат включим одновременно секундомеры, отсчитывающие время t в системе К и время t^/ в системе К^/. Из постулатов вытекают следующие преобразования.

-прямые преобразоавния Лоренца.

-обратные преобразования Лоренца.

Из преобразований Лоренца вытекает целый ряд кинематических выводов.

1. Длина жесткого стержня ; l, l₀ – длина жесткого стержня в системе К и К^/ соответственно.

2. ; - длительность процесса, происходящего в системе К и К^/ соответственно.

3. Нет абсолютности одновременности пространственно разделенных событий. Два события одновременные в одной ИСО оказываются неодновременными в другой ИСО, если эти события разделены в пространстве.

4. Теорема о преобразовании скоростей: ;

v^/ - скорость движения какого-то тела в системе К^/; v₀ - скорость движения системы К^/ относительно системы К; v – скорость движения того же тела в системе К.

Эффект Доплера. Впервые этот эффект был обнаружен Доплером в 1842г. при исследовании звуковых колебаний. Заключается он в том, что частота звука зависит от скорости движения источника звука и скорости движения приемника относительно воздуха или другой среды в которой звук распространяется. В 1849г Физо обобщил теорию Доплера, распространив её на всевозможные колебания, в том числе и на световые. Пришел к выводу, что частота воспринимаемая наблюдателем зависит от того движется ли источник по отношению к наблюдателю или наблюдатель относительно источника.

В классической теории, которая базировалась на представлении о мировом эфире эффект Доплера в оптике отличается 2-мя особенностями.

1. Величина доплеровского смещения зависит от абсолютных скоростей источника монохроматического света и приемника этого света относительно эфира, т.е. величина зависит от абсолютных скоростей.

2. В классической теории отсутствует поперечный эффект.

Продольный эффект.

Если источник движется под углом, то

СТО, в которой отсутствуют представления об эфире эффект Доплера зависит от относительной скорости источника монохроматического света. В СТО предсказывается поперечный эффект. Величина поперечного эффекта значительно меньше продольного эффекта.

Продольный эффект:

Поперечный эффект:

Продольный эффект – эффект 1-го порядка малости, поперечный эффект – эффект 2-го порядка малости.

Из СТО следует:

1-й знак соответствует сближению, а 2-й – удалению.

Методика.

Любая деятельность, в том числе и учебная, связана с мотивацией. Мотивационная сфера, по мнению известного психолога А. Н. Леонтьева, - ядро личности.

      Под мотивацией понимают  процессы, определяющие движение по направлению к поставленной цели, а также факторы (внешние и внутренние), которые влияют на активность или пассивность поведения. Изучение мотивации - это изучение того, как и почему люди приступают к действиям, направленным на достижение цели, и почему они проявляют в них настойчивость.

      Мотив — внутреннее побуждение личности к тому или иному виду активности, связанной с удовлетворением определённой потребности. Изучение мотивов невозможно без знания потребностей. Любому школьнику присущи потребности общечеловеческие, возрастные и половые (гендерные).

Общечеловеческие потребности	интерес к новому,  необычному (новизна материала); интерес к информации, помогающей решить жизненные проблемы; связь с практическими потребностями; своевременность и объективность оценивания проделанной работы
Возрастные потребности	любознательность; интерес к развлекательному и занимательному материалу; требуется пища для воображения, интерес к приключениям
Гендерные потребности	мальчики – интерес к спорту, автомобилям, технике, военной проблематике; девочки – взаимоотношения людей, мода,  проблемы искусства и эстетики.

       Для формирования  учебных мотивов  своих питомцев  педагогам необходимо знать и учитывать вышеперечисленные типичные потребности школьников.

Под отрицательной мотивацией подразумевают побуждения школьника, вызванные осознанием определенных неудобств и неприятностей, которые могут возникнуть, если он не будет учиться. Особенно она характерна для неуспевающих детей, боящихся получить очередную «двойку», того, что учитель и родители будут его ругать, дома не пустят гулять, не разрешат смотреть телевизор и т.д. Такая мотивация не приводит к успешным результатам.

    Социальные мотивы учения встречаются нередко. Ребенок включён в систему значимых для него отношений, главным образом, со взрослыми. И эти отношения, ценности, установки, требования взрослых тоже побуждают учиться. У младшего школьника должны появиться широкие социальные мотивы - желание стать образованным, хорошо окончить школу, чувства долга, ответственности перед учителем, родителями и классом, и т.п. К сожалению, эти мотивы, придавая смысл учебе, не обладают такой действенной силой, благодаря которой ребенок немедленно сел бы за стол выполнять скучное домашнее задание. Но всё же у большинства детей социальные мотивы постепенно приобретают необходимую силу и начинают побуждать их учебную деятельность.

     Сильными для большинства учеников в этом возрасте являются такие социальные мотивы учения, как отметка, похвала и награда. Ради них ребенок готов старательно заниматься. Конечно, отметка не должна определять полностью смысл учения. Но разумно ее использовать можно и нужно (и именно тогда, когда ребенок учится в начальных классах), чтобы поддержать положительное отношение к учебной деятельности.

       Похвала для младшего школьника так же важна, как для дошкольника. Есть дети с низкой самооценкой, которых практически невозможно «захвалить», похвала всего лишь стимулирует их работу. При общении с детьми, имеющими очень высокую самооценку, это средство нужно использовать осторожно, не «подпитывая» их самомнение.

         Награда – самый сложный вариант, который чаще используется в семье. В последнее время плата за высокие учебные результаты оказалась довольно распространенным явлением. Родители в этом случае должны помнить, что, введение такой награды ослабляет познавательную мотивацию: ребенок начинает учиться ради денег, не получая удовольствия от процесса учебной деятельности.

          К социальным мотивам учения относится и престижная мотивация. Это желание быть первым, лучшим, выделиться на фоне остальных детей. Престижная мотивация – действенный мотив, побуждающий ученика много заниматься и достигать высоких результатов. Дети с престижной мотивацией соперничают с такими же способными и успешными школьниками, стремясь получить свои «пятерки», они идут проторенным надежным путем, но не ищут оригинальных решений и не реализуют полностью свой творческий потенциал.

      Мы, педагоги, стремимся в первую очередь развивать познавательную мотивацию, ориентированную  на содержание и процесс учебной деятельности. Это ценный учебный мотив, поскольку материал интересен ученику, а выполнение действий вызывает удовольствие. Мотивация может быть заложена в самом процессе учебной деятельности, когда создаются условия для удовлетворения любознательности, преодоления препятствий, интеллектуальной активности, реализации способностей учащихся, расширения  кругозора и приобретение ими определенных знаний.

         Наконец, учебную деятельность побуждает мотивация достижения успеха, когда учащийся ориентирован  на получение качественного результат. Что общего между альпинистом, штурмующим горные вершины, ребенком, увлеченно играющим в компьютерные игры, и учеником, стремящимся учиться все лучше и лучше?  У каждого из них активизирован мотив достижения успеха, стремление к повышению уровня собственных возможностей. Такой  ребенок стремится довести дело до конца, выполнять не только интересную, но и скучную, рутинную работу, необходимую для выполнения задания. Ученик удовлетворен, даже горд собой, когда, преодолев трудности, достигает нужного результата, повышается его самооценка и сохраняется самоуважение.

       Мотивация - сложное структурное образование, в котором различные мотивы выступают в единстве и взаимозависимости. Поэтому формирование мотивации не может идти по частям, только целостный подход может обеспечить успех.

Формирование мотивации учения школьников.

В старшем школьном возникает потребность и возможность совершенствования своей учебной деятельности, что проявляется в стремлении к самообразованию, выходу за пределы школьной программы. Особую роль приобретает овладения контрольно-оценочными действиями до начала работы в форме прогнозирующей самооценки, планирующего самоконтроля своей учебной работы и на этой основе - приемов самообразования. Умение ставить в учебной деятельности нестандартные учебные задачи и находить вместе с тем нестереотипичные способы их решения. В старшем школьном возрасте широкие познавательные мотивы укрепляются за счет того, что интерес к знаниям затрагивает закономерности учебного предмета и основы наук.

Мотивы самообразовательной деятельности связываются с более далекими целями, жизненными перспективами выбора профессии. Развитие целеполагания выражается в том, что старшеклассник при постановки системы целей учится исходить из планов своего индивидуального самоопределения. Возрастает умение оценить реалистичность своих целей.

Общий смысл формирования состоит в том, что учителя желательно переводить учащихся с уровней отрицательного и безразличного отношения к учению к зрелым формам положительного отношения к учению - действенному осознанному и ответственному. Воспитанию положительной мотивации учения способствуют общая атмосфера в школе, классе; участие ученика в коллективистических формах организации разных видов деятельности; отношения сотрудничества учителя и учащегося, помощь учителя не в виде прямого вмешательства в выполнение задания, а в виде советов; привлечение учителем школьников к оценочной деятельности и формирование у них адекватной самооценки. Кроме того, формирование мотивации способствуют занимательное изложение, необычная форма преподавания материала, вызывающая удивление у учащихся; эмоциональность речи учителя; познавательные игры, ситуация спора и дискуссии; анализ жизненных ситуаций; умелое применение учителем поощрения и порицания. Особое значение здесь приобретает укрепление всех сторон умения школьника учиться, обеспечивающее усвоение всех видов знаний и их применение в новых условиях, самостоятельное выполнение им учебных действий и самоконтроля, самостоятельный переход от одного этапа учебной работы к другой, включение учащихся в совместную учебную деятельность.

Работа учителя, прямо направленная на упрочнение и развитие мотивационной сферы, включает в себя следующие виды воздействий:

* актуализация уже сложившейся у школьника ранее мотивационных установок, которые надо не разрушать, а укреплять и поддержать.

* создание условий для появления новых мотивационных установок (новых мотивов, целей) и появление у них новых качеств (устойчивости, осознанности, действенности и др.)

* коррекция дефектных мотивационных установок

* изменение внутреннего отношения ребенка как к наличному уровню своих возможностей, так и к перспективе их развития.

Формирование включает несколько блоков - работу с мотивами, целями, эмоциями, учебно-познавательной деятельностью школьников. Внутри каждого из блоков проводится работа по актуализации и коррекции прежних мотивов, стимуляция новых мотивов и появлению у них новых качеств.

Какие же задания и упражнения может применять учитель для целенаправленного воздействия на мотивационную сферу учащихся?

Можно начать с укрепления чувства "открытости" к воздействиям, т.е. к обучаемости. Могут использоваться упражнения на сотрудничество со взрослыми. Сначала на материале задачи, на поиск новых подходов к задаче.

Следующая группам упражнений - это упражнения на целеполагание школьников в учении, прежде всего на реалистичность в целеполагании, надо укреплять адекватную самооценку и уровень притязаний. В упражнении на закрепление адекватной самооценки важно учить школьников грамотному объяснению своих успехов и неудач.

Становлению адекватной самооценки и уровня притязаний способствует упражнения на решение задач максимальной для себя трудности, переживание неудачи и самоанализ не только ее внешних причин в виде трудности задачи, но и внутренних причин - своих способностей в целом и усилий при решении данной задачи.

Особым видом работы по формированию у учащихся адекватного уровня притязаний и самооценки является обдуманное поощрение их учителем. Для мотивации школьника более важной, чем оценка учителя оказывается скрытая в отметке информация о его возможностях. Оценка учителя повышает мотивацию, если она относится не к способностям ученика в целом, а к тем усилиям, которые прилагает ученик при выполнении задания.

Другим правилом выставления отметки учителем для поощрения мотивации является такой прием, когда он сравнивает успехи не с успехами других учеников, а с его прежними результатами.

Следующая группа заданий на устойчивость целей, на их действенность, настойчивость и упорство в их реализации. Так удержания цели способствует задание на возобновление учебной деятельности после помех и препятствий. Укреплению настойчивости школьника при достижении цели способствует упражнения на решение сверх трудных задач без обратной связи в ходе решения.