Принцип относительности
Цель урока: повторить знания учащихся по относительности движения, изучить принцип относительности.
Задачи урока
Образовательная: сформировать понятие о принципе относительности Галилея, убедить учащихся в равноправии ИСО, показать значение принципа относительности для науки, показать значение экспериментального метода познания для физики.
Развивающая: продолжить формирование умений наблюдать, сравнивать, анализировать, делать выводы.
Воспитательная: воспитание диалектико-материалистического мировоззрения, развитие познавательного интереса к предмету, развитие коммуникативных способностей.
Оборудование: тележка легкоподвижная, штатив с капельницей, колба, цилиндр с указателями силы тяжести и силы реакции опоры, диск вращающийся, нитяной маятник, ноутбук с проектором, разработанная к уроку презентация материала.
… Что есть красота
И почему ее обожествляют люди?
Сосуд она, в котором пустота,
Или огонь, мерцающий в сосуде?
Н. Заболоцкий.
План урока
1.Организационный момент (цель, задачи, план урока)
2.Проверка знаний, умений, навыков учащихся (цель: подготовка к восприятию нового материла)
1. Форма : игра по группам (5 мин).
2. А теперь давайте на основе несложных опытов выясним, при каких условиях выполняется первый закон Ньютона. Экспериментальная работа по группам. Отчет каждой группы: рисунок с изображением сил, вывод о выполнении 1 закона Ньютона.
Группа 1. Поведение шара в неподвижной системе отсчета.
Вывод: Шар находится в покое. Силы, действующие на него, уравновешены. Первый закон Ньютона выполняется.
Группа 2. Поведение шара в системе отсчета, движущейся равномерно и прямолинейно. Вывод: Хотя тележка движется, шар находится в покое, силы, действующие на него, уравновешены. Первый закон Ньютона выполняется.
Группа 3. Поведение шара в системе отсчета, движущейся прямолинейно, но равноускоренно.
Вывод:Шар пришел в движение, хотя сила тяжести по-прежнему уравновешена силой реакции опоры. Первый закон Ньютона нарушился.
Группа 4. Поведение шара в равномерно вращающейся системе отсчета.
Вывод: Шар, подвешенный на нити, отклонился на некоторый угол, хотя первоначально сила тяжести была уравновешена силой упругости нити. Первый закон Ньютона нарушился.
Итак, к какому выводу мы пришли в результате проведенных экспериментов.
Выводы: 1. Первый закон Ньютона выполняется в системах отсчета, которые неподвижны или движутся равномерно и прямолинейно относительно ИСО.
2. В системах отсчета, которые движутся с ускорением относительно ИСО (т.е. в неинерциальных СО), первый закон Ньютона не выполняется.
Физкультурная минутка:
1.И.п. – сидя, руки на поясе. 1-поворот головы направо, 2-и.п., 3-поворот головы налево, 4- и.п. Повторить 6-8 раз. Темп медленный (для улучшения мозгового кровообращения).
2. И.п.-стоя или сидя, руки на поясе.1-правую руку вперед, левую вверх, 2- переменить положения рук. Повторить 3-4 раза, затем расслабленно опустить вниз и потрясти кистями, голову наклонить вперед. Темп средний (для снятия утомления с плечевого пояса и рук).
3. Быстро поморгать, закрыть глаза и посидеть спокойно, медленно считая до 5. Повторить 4-5 раз (для снятия глазной усталости).
4. Посмотреть на указательный палец вытянутой руки на счет 1-4, потом перенести взор вдаль на счет 1-6. Повторить 4-5 раз.
II. Изучение нового материала:
1) Выдвижение проблемы и решение ее с помощью демонстраций.
Мы выяснили, что законы Ньютона выполняются в ИСО.
Перед учащимися ставится проблема, которая решается с использованием эксперимента.
Теперь давайте экспериментально проверим, одинаково ли протекают механические явления в различных ИСО?
Опыт. Падение капель в неподвижной системе отсчета.
Рассмотрим неподвижную систему отсчета, связанную с Землей. Будем наблюдать падение капель воды в узкую колбу. Учащиеся убеждаются в том, что капли попадают в колбу.
Вопрос. Будут ли попадать капли в колбу, если тележка с капельницей будет двигаться равномерно и прямолинейно?
Ребята высказывают разные мнения. Обращаемся к опыту, поставив капельницу с колбой на тележку.
Опыт. Падение капель в системе отсчета, движущейся равномерно и прямолинейно.
Учащиеся убеждаются в том, что капли попадают в колбу. Выясняем причины: капельница и колба движутся с одинаковой скоростью, равной скорости движения тележки.
Вопрос: Что произойдет, если подвижная СО начнет двигаться с ускорением? Попадут ли капли в колбу или нет?
Опыт. Падение капель в системе отсчета, движущейся прямолинейно, но с ускорением.
Капли не попадают в колбу, они отклоняются от вертикального положения в зависимости от того, как движется тележка: равноускоренно или равнозамедленно.
Теперь видоизменим опыт, поставив капельницу с колбой на равномерно вращающийся круг (с угловой скоростью).
Опыт. Падение капель в равномерно вращающейся системе отсчета.
Капли снова не попадают в колбу, отклоняясь от центра вращения круга.
Вывод: 1. Все механические процессы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета. (Принцип относительности Галилея).
2. В системах отсчета, движущихся с ускорением законы Ньютона не выполняются.
2). Работа с учебником. (§30 пункт2.)Является ли Земля инерциальной системой отсчета?
Выводы: Является только приближенно:
1.Вращается вокруг Солнца, Т=1 год, следовательно, ускорение очень мало.
2. Вращение Земли вокруг собственной оси, Т=24ч ( на экваторе а=0,035м/с2= 0,35% g).
Доказательство вращения: маятник Фуко.
3). Анализ характеристик движения в разных инерциальных системах отсчета.
Принцип относительности Галилея утверждает полное равноправие всех ИСО. Однако это не означает, что одно и то же движение в разных ИСО одинаково.
Как меняются характеристики движения при переходе от одной ИСО к другой?
Допустим, что на берегу полноводной равнинной без поворотов реки и в трюме баржи, плывущей по течению этой реки с постоянной скоростью и не испытывая никакой качки, оборудованы две лаборатории, которые имеют по прозрачной стене и наблюдатели одной из них видят все, что происходит в другой.
Системы отсчета, связанные с лабораториями, обозначим XY и X` Y`. Эти системы инерциальные и равноправные.
1) Наблюдатели отмечают, что их часы идут одинаково: t`=t .
Вывод: время в ИСО инвариантно (неизменно).
2) Пусть в обеих лабораториях изучают падение шариков. Следя за их падением наблюдатель в лаборатории на барже заметит, что его шарик падал по вертикали за время t. А наблюдатель, находящийся на берегу, увидит, что шарик на барже падал по параболе и время его падения также равно t.
Вывод: траектория движения зависит от системы отсчета, в которой это движение изучается, а время не зависит. То есть траектория относительна.
3) Пусть в лаборатории, расположенной на барже, по направлению ее движения с постоянной скоростью катится шарик.
Наблюдатель внутри этой лаборатории определяет, что скорость движения шарика υ.
Наблюдатель, находящийся на берегу, будет считать, что скорость шарика υ1, причем υ1= υ+U.
Вывод: скорость движения зависит от системы отсчета, в которой это движение изучается. То есть скорость относительна.
4) Далее наблюдатель на барже определит, что за время t шарик переместится на расстояние S= υ1*t, а наблюдатель на берегу найдет, что перемещение шарика будет S1, причем S1= υ1*t =( υ+U)*t= υ*t + U*t =S+ U*t.
Вывод: Перемещение тела зависит от системы отсчета, в которой изучается движение. То есть перемещение относительно.
Теперь выпишем соотношения, которые мы получили:
t`=t, υ1= υ+U, S1= S+ U*t.
Эти соотношения получили название преобразований Галилея.
5) Изменится ли масса тела, если его перенести с берега на баржу или наоборот? Нет, масса тела от этого не изменится. По определению масса тела – величина постоянная, являющаяся мерой инертности тела.
Вывод: Масса тела остается постоянной во всех ИСО.
6) Как вы думаете, ускорение тела будет изменяться при переходе от одной ИСО к другой?
Допустим, что в лаборатории, расположенной на барже, тело взаимодействует с другим телом и в результате получает ускорение, которое можно определить по формуле: a1 = (υ1 – υ10)/t, но υ1= υ+U, υ1 0 = υ0+U, t`=t. Поэтому a1= (υ+U-( υ0+U))/t = (υ- υ0)/t=а.
Вывод: модуль ускорения неизменен во всех ИСО.
7) Сила, которая сообщает телу ускорение, не зависит от системы отсчета. Она определяется взаимодействием тел, поэтому: F`=F Вопрос: Одинакова ли будет запись 2 закона Ньютона?
В результате обсуждения делается вывод: да, одинакова.
F=ma ; F`=m`a`; т.к. F`=F; a`=a; m`=m.
Вывод: Уравнение 2 закона Ньютона не изменилось при переходе от одной ИСО к другой. Кроме того, во всех ИСО справедлив закон инерции - 1 закон Ньютона.
ВСЕ ИНЕРЦИАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОТСЧЕТА РАВНОПРАВНЫ – ЭТО ПРОЯВЛЯЕТСЯ В ТОМ, ЧТО ЗАКОНЫ МЕХАНИКИ В НИХ ЗАПИСЫВАЮТСЯ ОДИНАКОВО.
Открытие принципа относительности – одно из величайших достижений человеческого разума. Оно оказалось возможным лишь после того, как люди поняли, что ни Земля, ни Солнце не являются центром Вселенной.
Принцип относительности Галилея имеет большое значение для науки в целом: он говорит о всеобщем и объективном, т.е. не зависящем от человеческого сознания, характере изучаемых нами законов механики.
В 1905 году, развивая этот принцип дальше, А.Эйнштейн создал теорию относительности – одну из важнейших физических теорий нашего времени, с которой вы познакомитесь в выпускном классе.
III. Закрепление. Тест с проверкой.
1. Какая из характеристик движения тела не меняется при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой?
1) ускорение
2) траектория
3) перемещение
4) кинетическая энергия.
2. Учитель прикрепил к магниту стальной шарик и мягко толкнул тележку в сторону препятствия (см. рисунок). При ударе тележки о препятствие шарик оторвался от магнита и полетел вперед. Для объяснения этого явления на основе законов Ньютона систему отсчета необходимо связать с (со)
1) тележкой
2) шариком
3) столом
4) пружиной
3.Утверждение, что материальная точка покоится или движется равномерно и прямолинейно, если на нее не действуют другие тела или воздействие на него других тел взаимно уравновешено:
1) верно при любых условиях
2) верно для инерциальных систем отсчета
3) верно для неинерциальных систем отсчета
4) неверно ни для каких систем отсчета
4. Систему отсчета, связанную с Землей, будем считать инерциальной. Система отсчета, связанная с автомобилем, тоже будет инерциальной, если автомобиль
1) движется равномерно по прямолинейному участку шоссе
2) разгоняется по прямолинейному участку шоссе
3) движется равномерно по извилистой дороге
4)по инерции вкатывается на гору.
5. Брусок лежит на шероховатой наклонной опоре (см. рисунок).
На него действуют 3 силы: сила тяжести mg, сила реакции опоры N и сила трения F'ТP. Если брусок покоится, то модуль равнодействующей сил Fтр и N равен
1) mg
2) Fтр + N
3) N cos α
4) Fтр sin α
6. Эскалатор метро поднимается со скоростью 1 м/с. Может ли человек, находящийся на нем, быть в покое в системе отсчета, связанной с Землей?
1) может, если движется в противоположную сторону со скоростью 1 м/с.
2) может, если движется в ту же сторону со скоростью 1 м/с.
3)может, если стоит на эскалаторе.
4)не может ни при каких условиях.
7. Два автомобиля движутся по прямой дороге в одном направлении: один со скоростью 50 км/ч, а другой — со скоростью 70 км/ч. При этом они
1) сближаются.
2) удаляются.
3) не изменяют расстояние друг от друга.
4) могут сближаться, а могут и удаляться.
8. Два автомобиля движутся по прямому шоссе: первый — со скоростью V, второй — со скоростью (-ЗV ). Модуль скорости второго автомобиля относительно первого равен
1)V
2) 2V
3) 3V
4) 4V
9. Лодка должна попасть на противоположный берег реки по кратчайшему пути в системе отсчета связанной с берегом. Скорость течения реки V, а скорость лодки относительно воды U. Модуль скорости лодки относительно берега должен быть равен
1)v+u
2)v-u
3) V V2 +U2
4) V V2 –U2
№ вопроса 1 2 3 4 5 6 7 8 9
№ ответа 1 3 2 1 1 1 4 4 4
ОТВЕТЫ МЕНЕЕ 5 5-6 7-8 9
ОЦЕНКА 2 3 4 5
IV. Домашнее задание: (с комментарием) 1. § 30. (Мякишев Г.Я., и др. Физика- 10)
2. § §22-29 (повторить).
3.Упр.6 №7-9.
V. Подведение итогов урока.
