СПЕЦКУРС

"ГРАВИТАЦИОННЫЕ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ"

ДЛЯ

СТАРШЕКЛАССНИКОВ
Н.И. Хабецкая, учитель физики МБОУ Школы № 12 г. о. Самара Физическое школьное образование построено таким образом, что закон всемирного тяготения трактуется как закон, описывающий механику небесных тел. Вопрос же о природе сил тяготения не рассматривается, хотя он имеет принципиальное мировоззренческое значение и связан с возникновением и эволюцией Вселенной. В связи с этим возникает проблема создания у учащихся научного физического представления о природе сил тяготения и происхождения Вселенной. Поэтому мной разработан спецкурс "Гравитаци онные взаимодействия". В методической литературе такой курс нам не встречался, хотя некоторые вопросы, связанные с общей теорией относительности рассматриваются в приложении "Физика" к газете "Первое сентября". Предлагаемый спецкурс базируется на физической картине мира, на представлениях о гравитационном взаимодействии между телами и частицами, о двух взаимосвязанных и взаимопревращающихся видах материи: веществе и поле. Он открывает возможности для более раннего приобщения учащихся к пониманию современной естественнонаучной картины мира и особенностей ее познания, содействует формированию физического мышления, воспитанию любви к поиску истины, готовности к продолжению образования. Цель спецкурса: сформировать у учащихся современные представления о природе сил тяготения, которые являются одной из главных составляющих физической картины мира. 1. ПРОГРАММА СПЕЦКУРСА "ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ"
Классическая

теория

гравитационных

взаимодействий
Понятие, гравитационного взаимодействия, закон всемирного тяготения. Гравитационная постоянная. Опыт Кавендиша. Гравитационное поле, Напряженность и потенциал гравитационного поля. Соотношение между напряженностью и потенциалом. Потенциальная энергия однородного шарового слоя и материальной точки. Принцип эквивалентности. Опыт Этвёша. Тождественность силы энергии силе взаимного тяготения между всеми телами Вселенной. Космические скорости. Открытие новых планет. Приливы и отливы. Предел Роша. Фронтальное экспериментальное задание 1. Как Сделать так, чтобы двойной конус катился вверх. Фронтальная лабораторная работа 1. Установление пропорциональности инертной и гравитационной масс.
Общая теория относительности
Необходимость обобщения законов тяготения Ньютона. "Сильный принцип эквивалентности". Кривизна пространства-времени. Уравнения тяготения Эйнштейна. Интерпретация уравнений Эйнштейна. Решение Шварцшильда. Гравитационный радиус. Свободное падение частицы в гравитационном поле. Внутри шварцшильдовской сферы. Смещение орбиты Меркурия. Искривление световых лучей вблизи Солнца. Временная задержка радиолокационных сигналов. Гравитационное смещение частоты. Гравитационные волны. Приемник Вебера. Влияние гравитации на течение времени. Черные дыры. Предвидение Лапласа. Течение времени рядом с черной дырой. Свойства Вселенной. Закон Хаббла. Большой взрыв. Ограничения применимости общей теории относительности. Основные знания: закон всемирного тяготения, гравитационная постоянная, напряженность гравитационного поля, потенциал гравитационного поля, потенциальная энергия
однородного шарового слоя, принцип эквивалентности, космические скорости, причины возникновения приливного ускорения, кривизна пространства-времени, уравнения тяготения Эйнштейна, гравитационный радиус, экспериментальные доказательства общей теории относительности, черные дыры, свойства Вселенной, закон Хаббла, Большой взрыв. Основные умения: решение задач с использованием закона всемирного тяготения, расчет космических скоростей, объяснение механики небесных тел с точки зрения классической теории гравитационных взаимодействий, расчет степени инерциальности системы отсчета, объяснение кривизны пространства-времени, объяснение свойств Вселенной на основе выводов общей теории относительности. При выполнении лабораторной работы: пользоваться, измерительными приборами и материалами, составлять отчет, анализировать полученные результаты и делать выводы. 2. КАЛЕНДАРНОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ СПЕЦКУРСА «ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ» № п/п Тема учебного занятия Форма учебного занятия Методы и приемы обучения Да- та 1 Закон всемирного тяготения Вводная лекция обзорного характера, знакомящая с основными вопросами спецкурса. Учебный монолог учителя, проблемное задание учащимся. Блочная подача материала, использование опорного конспекта. 2 Гравитационное поле Комбинированный урок Учебный диалог, собеседование, воспроизведение опорных конспектов. 3 Движение тел в гравитационном поле Практикум по решению задач. Групповое решение предложенных задач и составление собственных. Работа в группах. Взаимообучение. 4 Потенциальная энергия однородного шарового слоя Лекция Учебный монолог учителя, использование опорного конспекта. 5 Принцип эквивалентности Комбинированный урок Беседа, привлечение учащихся к поискам способов решения выдвинутых проблем, объяснение. 6 Установление пропорциональности инертной и гравитационной масс Фронтальная лабораторная работа Инструктирование, наблюдение за работой учащихся,составление учащимися отчета о работе. 7 Инерциальные системы отсчета и тяготения Комбинированный урок Объяснение, выдвижение учебных задач и организация их выполнения. 8 Космические скорости Комбинированный урок Беседа, выдвижение перед учащимися проблемы и привлечение к поискам способов ее решения, самостоятельная работа. 9 Движение в поле тяготения по кри- волинейной (в простейшем случае - круговой) траектории. Практикум по решению задач. Коллективное обсуждение и защита выполненной в группах работы. Взаимообучение и взаимоконтроль. Самостоятельная работа. 10 Применение закона Конференция, Доклады учащихся. Ознакомление
всемирного тяготения в. астрономии (откры- тие новых планет, приливы, отливы). раскрывающая прикладное значение изученного материала, для объяснения явлений природы с социальным заказом общества на нетрадиционные формы получения электроэнергии. Дискуссия. Работа с дополнительной литературой. 11 Загадка сил все- мирного тяготения. Урок физических парадоксов и софизмов Дискуссия, коллективное обсуждение, самостоятельная работа. 12 Основные положения теории тяготения Эйнштейна. Лекция Объяснение, выводы, доказательства, побуждение учащихся к прослеживанию логики развития научных идей, конспектирование основных положений лекции, ответы на отдельные вопросы лектора. 23 Уравнения Эйн- штейна. Лекция Объяснение, выводы, доказательства, побуждение учащихся к прослеживанию логики развития научных идей, конспектирование основных положений лекции, ответы на отдельные вопросы лектора. 14 0 времени и пространстве. Дискуссия В процессе подготовки изучения литературных источников. В ходе - взаимоинформация учащихся, ве- дение записей, составление конспекта. 15 Решение Шварцшильда. Лекция Объяснение, выводы, доказательства, побуждение учащихся к прослеживанию логики развития научных идей, конспектирование основных положений лекции, ответы на отдельные вопросы лектора. 16 Экспериментальная проверка общей теории относительности. Семинар Консультации перед проведением семинара, работа с дополнительной литературой, написание рефератов, выступления с докладами, обсуждение вопросов, вынесенных на семинар. 17 Черные дыры. Строение и свойства Вселенной. Лекция Объяснение, выводы, доказательства, побуждение учащихся к прослеживанию логики развития научных идей, конспектирование положений лекций, ответы на отдельные вопросы лектора. 18 Замечательна или непоследовательна и противоречива общая теория Диспут Работа с научно-популярной литературой, обобщение знаний, философское осмысление спецкурса, аргументированность
относительности? суждений. Коллективный анализ и оценка работы группы на различных этапах изучения спецкурса. Достижение цели спецкурса: позволит решить многие задачи обучения: обеспечить более строгое рассмотрение физических законов и явлений, изучаемых в основном курсе физики; получить прочные и осознанные знания изучаемого материала; расширить сведения о способах применения современных достижений физики в практике; сделать занятия физикой нагляднее и интереснее; научить умению самостоятельно приобретать знания; привить учащимся навыки самостоятельной работы с научной и справочной литературой, самостоятельного изучения несложных вопросов. Обучение ведется в форме стандартных и нестандартных учебных занятий (бесед, самостоятельных работ, лекций, дискуссий и т.д.) с применением на глядных пособий (плакатов, кодограмм, демонстраций) и видеофильмов. Трудности восприятия общей теории, относительности в значительной степени носят психологический характер. Поскольку способность к восприятию нового с возрастом уменьшается, то лучше начать изучение этой теории в школе. Опираясь на знания, полученные в основном курсе физики, можно на качественном уровне ознакомить учащихся с физическими основами общей, теории относительности и с ее наиболее важными следствиями. В ходе преподавания основ общей теории относительности важно не только ознако мить учеников с фактическим материалом, но и показать, как развивается процесс познания природы, как получается физическое знание, какова при этом роль эксперимента, гипотез, математических методов. Следует подчеркнуть циклический характер познания природы в физике. Содержание и форма изложения материала подбираются таким образом, чтобы возможная для старшеклассников строгость гармонично сочеталась с максимальной научностью и доступностью. Применение математики адаптируется к математическим знаниям учащихся. Практическая значимость спецкурса обусловлена возможностью применения его в учебной практике общеобразовательных школ и школ с углубленным изучением физики, а также в лицеях для совершенствования процессов обучения физике. Спецкурс предназначен в основном для учащихся 10-11 классов, но может быть использован и для учащихся 9-х классов, лабораторную работу можно ввести в физический практикум.