урок на тему «принцип относительности Галилея» (10 класс)
Механическому принципу относительности в школьных учебниках уделяется недостаточное внимание, материал излагается кратко, тезисно. Учащиеся формально воспроизводят формулировку, испытывая трудности в применении этого принципа для анализа конкретных ситуаций.
Формирование понятия о принципе относительности Галилея мы проводим на широкой экспериментальной основе. Десять демонстрационных опытов убеждают школьников в истинности теоретических положений, а разработанная система вопросов помогает учащимся сравнивать, анализировать, делать нужные выводы. Использование компьютерной презентации к уроку повышает эффективность восприятия и усвоения материала учащимися, возбуждает их интерес.
· сформировать понятие о принципе относительности Галилея;
· убедить учащихся в равноправии ИСО;
· показать значение принципа относительности для науки;
· продолжить формирование умений наблюдать, сравнивать, анализировать, делать выводы;
· показать значение экспериментального метода познания для физики;
· продолжить формирование научного мировоззрения учащихся.
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.
Ход урока
I. Актуализация знаний.
Фронтальный опрос:
1. В чем заключается относительность движения?
2. Что такое система отсчета?
3. Какие системы отсчета называют инерциальными?
4. Сформулировать I закон Ньютона.
5. Сформулировать II закон Ньютона.
6. Сформулировать III закон Ньютона.
7. Как определяется скорость тела относительно неподвижной системы отсчета?
8. Как находится перемещение тела относительно неподвижной системы отсчета?
А теперь давайте на основе несложных опытов выясним, при каких условиях выполняется первый закон Ньютона.
Опыт 1. Поведение шара в неподвижной системе отсчета (рис.1).
Рис. 1 |
Опыт 2. Поведение шара в системе отсчета, движущейся равномерно и прямолинейно (рис. 2).
Рис. 2 |
Вывод 1. Первый закон Ньютона выполняется в системах отсчета, которые неподвижны или движутся равномерно и прямолинейно относительно ИСО.
Рис. 3 |
Рис. 4 |
Опыт 4. Поведение шара в равномерно вращающейся системе отсчета (рис. 4).
Шар, подвешенный на нити, отклонился на некоторый угол ?, хотя первоначально сила тяжести была уравновешена силой упругости нити. Первый закон Ньютона нарушился.
Вывод 2. В системах отсчета, которые движутся с ускорением относительно ИСО (т.е. в неинерциальных СО), первый закон Ньютона не выполняется.
Мы выяснили, что законы Ньютона выполняются в ИСО.
Рис. 5 |
Опыт 5. Падение капель в неподвижной системе отсчета (рис.5).
Рис. 6 |
Ребята высказывают разные мнения. Обращаемся к опыту, поставив капельницу с колбой на тележку.
Рис. 7 |
Учащиеся (некоторые с удивлением) убеждаются в том, что капли попадают в колбу. Выясняем причины: капельница и колба движутся с одинаковой скоростью, равной скорости движения тележки.
Вывод: все инерциальные системы отсчета равноправны, механические явления протекают в них одинаково. В этом и заключается принцип относительности Галилея.
Рис.8 |
Опыт 7. Падение капель в системе отсчета, движущейся прямолинейно, но с ускорением (рис. 7).
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 8. Падение капель в равномерно вращающейся системе отсчета (рис.8).
Капли снова не попадают в колбу, отклоняясь от центра вращения круга.
Вывод: в системах отсчета, движущихся с ускорением законы Ньютона не выполняются.
Зачитывается отрывок из учебника (Шахмаев, 9 класс) о мысленном опыте Галилея, его смысл обсуждается с учащимися.
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.
Рис.9 |
Допустим, что на берегу полноводной равнинной без поворотов реки и в трюме баржи, плывущей по течению этой реки с постоянной скоростью, оборудованы эти лаборатории.
Лаборатории оснащены абсолютно одинаковыми приборами для измерения расстояний, времени, массы, силы, ускорения и т.д. Допустим, также, что баржа плывет со скоростью
Системы отсчета, связанные с лабораториями, обозначим XY и X` Y`. Эти системы инерциальны и равноправны.
Допустим, что обе лаборатории имеют по прозрачной стене и наблюдатели одной из них видят все, что происходит в другой.
1) Наблюдатели отмечают, что их часы идут одинаково: t`=t .
Вывод: время в ИСО инвариантно (неизменно).
Рис.10 |
Рис.11 |
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
Наблюдатель, находящийся на берегу, будет считать, что скорость шарика
Вывод: скорость движения зависит от системы отсчета, в которой это движение изучается.
4) Далее наблюдатель на барже определит, что за время t шарик переместится на расстояние
т.е.
Вывод: Перемещение тела зависит от системы отсчета, в которой изучается движение.
Теперь выпишем соотношения, которые мы получили:
t`=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?
Подсчитаем ускорение в движущейся ИСО. Пусть тело взаимодействует с другим телом и в результате получает ускорение, которое можно определить по формуле:
Вывод: модуль ускорения неизменен во всех ИСО.
Вопрос: Какие характеристики движения изменяются при переходе от одной ИСО к другой?
Ответ: скорость, перемещение, траектория.
Вопрос: А какие характеристики остаются неизменными при переходе от одной ИСО к другой, т.е. являются инвариантными?
Ответ: время, ускорение, масса, сила.
8) И последнее, что надо выяснить.
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.
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. Демонстрация кинофрагмента
2) Ответы на вопросы по записям.
· Сформулировать закон инерции.
· Какие системы отсчета являются инерциальными?
· Какими опытами можно продемонстрировать инерциальность системы отсчета?
· В чем состоит принцип относительности Галилея?
· Чем определяется значение этого принципа для науки?
3) Демонстрация кинофрагмента «Принцип относительности Галилея».